Come la scienza ha inventato un nuovo straordinario dispositivo più difficile

Nathan Hurst

Come si progettano strumenti industriali in grado di superare i dispositivi con punta diamantata più pesanti? Facile: crei un nuovo materiale ancora più duro del diamante.

Sì, è un "fatto" spesso erroneamente dichiarato: il diamante è il materiale più duro al mondo. Questo titolo è stato contestato ormai da qualche tempo, e un articolo pubblicato questo mese su Nature offre ancora un altro contendente.

"Nitruro di boro cubico nanotwinned ultraduro", descrive come i ricercatori dell'Università di Chicago, dell'Università del New Mexico, dell'Università di Yanshan, dell'Università di Jilin e dell'Università di Tecnologia di Hebei hanno compresso una forma di particelle di nitruro di boro in una versione ultradura.

Secondo i test condotti dai ricercatori, le pepite trasparenti che ne sono risultate rivaleggiavano – e addirittura superavano – il diamante in termini di durezza. Con un punteggio Vickers di 108 GPa, supera il diamante sintetico (100 GPa) e più che raddoppia la durezza delle forme commerciali di nitruro di boro cubico.

Il segreto è nella nanostruttura. Yongjun Tian e gli altri ricercatori hanno iniziato con particelle di nitruro di boro simili a cipolle, a forma di rosa traballante o, come le descrive Tian, ​​come bambole Matrioska. Quando li hanno compressi a 1.800 gradi Celsius e 15 GPa (circa 68.000 volte la pressione di un pneumatico per auto), i cristalli si sono riorganizzati e si sono formati in una struttura nanogemellata.

In una struttura cristallina nanogemellata, gli atomi vicini condividono un confine, come fanno gli appartamenti vicini. E come in alcuni appartamenti, i gemelli si rispecchiano a vicenda. In genere, per rendere una sostanza più dura, gli scienziati riducono la dimensione dei grani, il che rende più difficile per qualsiasi cosa perforarla: grani piccoli equivalgono a meno spazio tra loro affinché qualsiasi punto possa entrare. Ma il processo si è scontrato con un muro: in qualsiasi cosa più piccola di circa 10 nm, i difetti o le distorsioni intrinseche sono grandi quasi quanto i grani stessi, e quindi indeboliscono la struttura.

Ma il nanotwining rende anche le sostanze più difficili da perforare e, nel caso del nitruro di boro, ha mantenuto quella resistenza caratteristica a dimensioni medie di circa 4 nm, spiega Tian. E come bonus, il nitruro di boro cubico era stabile anche alle alte temperature.

"Nel nostro cBN nanogemellato, l'eccellente stabilità termica e l'inerzia chimica vengono mantenute con una durezza competitiva o addirittura superiore a quella del diamante, rendendolo il materiale per utensili più desiderabile per l'industria", afferma Tian.

Egli prevede che, con ulteriori ricerche, il prodotto sarà paragonabile nel prezzo alle forme commerciali più morbide di nitruro di boro cubico attualmente disponibili. Gli usi probabili includono utensili di lavorazione, molatura, perforazione e taglio, nonché strumentazione scientifica.

Naturalmente, il problema è che, per misurare con precisione la durezza di un materiale, gli scienziati prendono una sostanza ancora più dura, la modellano in una piramide e vedono quanta pressione è necessaria per spingere quella piramide nel materiale. Ciò non funziona a meno che tu non abbia qualcosa che sei sicuro sia più difficile, quindi il numero di Vickers per il nitruro di boro cubico di Tian non è necessariamente l'ultima parola sulla misurazione, osserva la cristallografa Natalia Dubrovinskaia su Scientific American.

Gregorio Barbiere

Adriana Così

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Giuliano Chokkattu