Il vetro sarà più forte e duro dell'acciaio. Ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia statunitense e del California Institute of Technology hanno sviluppato un nuovo tipo di vetro metallico, tollerante ai danni, che ha dimostrato una resistenza agli impatti e una durezza superiore a ogni altro tipo di materiale conosciuto. "Questo è il primo uso di una nuova strategia per la fabbricazione di vetro metallico e crediamo di poterlo usare per realizzare un vetro che diventerà ancora più forte e resistente", ha dichiarato Robert Ritchie, ricercatore che ha partecipato al progetto.
Il nuovo vetro metallico è formato da una microlega basata su palladio, un metallo con un elevato rapporto di rigidità che si contrappone all'intrinseca fragilità dei materiali vetrosi. L'uso del palladio consente una plasticità estesa in risposta allo stress, permettendo al vetro di piegarsi anziché rompersi.
I materiali vetrosi hanno una struttura amorfa, non-cristallina, che li rende di per sé forti, ma sempre fragili. Laddove la struttura cristallina dei metalli è in grado di porre ostacoli microstrutturali che impediscono la propagazione di crepe, nella struttura amorfa del vetro non c'è nulla che blocchi la propagazione di crepe. Il problema è particolarmente evidente nei vetri metallici, dove singole "bande di taglio" (shear band) possono formarsi ed estendersi in tutto il materiale portando a rotture.
I due istituti avevano inizialmente fabbricato un vetro metallico chiamato DH3, nel quale la propagazione delle crepe era bloccata dall'introduzione di una seconda fase cristallina di metallo. Questa fase cristallina, che prendeva la forma di modelli dendritici che permeavano la struttura amorfa del vetro, erigeva barriere microstrutturali per impedire alle crepe aperte di espandersi. Con questo nuovo progetto, la collaborazione ha portato alla realizzazione di un materiale vetroso puro in cui la composizione chimica unica promuove la plasticità estesa attraverso la formazione di più bande di taglio prima che le bande si trasformino in crepe.
Robert Ritchie
"Il nostro progetto è quello di cercare di estendere quest'approccio d'induzione della plasticità estesa prima della frattura ad altri vetri metallici, mediante cambiamenti nella composizione", ha dichiarato Ritchie. "L'aggiunta del palladio offre al nostro materiale amorfo un'insolita capacità di schermatura prima dell'apertura di una crepa. Questo favorisce una durezza paragonabile a quella dei materiali più duri conosciuti. La rara combinazione di durezza e resistenza, o la tolleranza al danno, si estende oltre la gamma di riferimento stabilita dai materiali più duri e resistenti conosciuti".
I primi sample del nuovo vetro metallico erano basati su una microlega di palladio con fosforo, silicio e germanio, in grado di dare vita a delle aste di vetro con un diametro di appena un millimetro. Aggiungendo a questo mix l'argento si è riusciti a estendere il diametro fino a sei millimetri. Le dimensioni del vetro metallico sono limitate al momento dalla necessità di raffreddare rapidamente o "spegnere" i metalli liquidi per ottenere la struttura amorfa definitiva.
"La regola generale è che per fare un vetro metallico abbiamo bisogno di avere almeno cinque elementi, in modo che quando spegniamo il materiale, lui non sa quale struttura cristallina formare e il valore predefinito è quello amorfo", ha dichiarato Ritchie.
"Tradizionalmente resistenza e durezza sono state mutuamente proprietà esclusive nei materiali, il che rende questi nuovi vetri metallici intellettualmente stimolanti", ha dichiarato Ritchie. "Stiamo invertendo il trend e spingendo l'asticella della tolleranza al danno accessibile a quella delle strutture metalliche".
I ricercatori non hanno accennato alla possibile produzione commerciale di soluzioni di questo genere. Come avrete intuito, questo è un primo passo molto convicente verso vetri davvero indistruttibili, di cui in un lontano futuro potrebbe servirsi - oppure prendere spunto - anche l'elettronica di consumo.