CrCoNi, l’identikit del nuovo materiale più tenace al mondo

Ogni epoca ha le sue invenzioni ed innovazioni, figlie del progresso scientifico e tecnologico del tempo. Nell’800 l’uomo ha posto le basi per la vita moderna che oggi conosciamo, inventando fra le altre lampadina, telefono, macchina fotografica, motore a scoppio e pneumatici, automobile e ferrovia. Nel ‘900, anche sfruttando quanto introdotto nel secolo precedente, hanno visto la loro comparsa nel mondo televisione e radio a lungo raggio, aeroplano, elicottero (quest’ultimo di paternità italiana), carri armati ed Internet.

Scoperte importanti

Il ventunesimo secolo non poteva certo essere da meno, sono infatti innumerevoli le invenzioni di portata planetaria introdotte dal 2000 in poi. In ambito di tecnologia dei materiali ad esempio le innovazioni sono state molte. Solo per citarne alcune:

• l’affinamento della tecnologia X-Lam (nata ufficialmente nel 1998 in Austria) e la sua diffusione capillare come modalità costruttiva nei paesi con tradizione edilizia lignea;
• l’impiego di materiali compositi fibrorinforzati come gli FRP (Fiber Reinforced Polymers) e gli FRCM (Fiber Reinforced CementitiousMatrices), particolarmente adatti al rinforzo del patrimonio edilizio e strutturale esistente;
• la invenzione del grafene, vera e propria rivoluzione di più o meno tutti gli ambiti scientifici (non solo del comparto edilizio);
• la recente introduzione dell’augmented wood, un legno potenziato traslucido resistente ed ecologico che potrebbe in futuro sostituire il calcestruzzo.

A questo elenco potrebbe presto aggiungersi un altro materiale, dal nome molto meno aggraziato ma altrettanto rivoluzionario: il CrCoNi. Conosciamo meglio questo materiale, partendo magari dal capirne l’insolito nome.

Il CrCoNi ai raggi X

Spieghiamo perché questo materiale presenti un nome così strano, quasi impronunciabile. Chi studia chimica probabilmente sa già cosa ci sia dietro, sveliamo dunque l’arcano anche ai non addetti ai lavori. Questo nome altro non è che l’unione dei simboli chimici di cromo (Cr), cobalto (Co) e nichel (Ni) sulla tavola periodica degli elementi. Questo materiale è una lega metallica costituita da questi tre elementi ed è stato recentemente creato dagli scienziati di Berkeley Lab ed Oak Ridge National Laboratory.

Il CrCoNi fa parte del sottoinsieme delle cosiddette leghe ad alta entropia (anche note come HEA, High Entropy Alloys). Queste hanno la caratteristica di contenere in proporzioni all’incirca uguali tutti gli elementi costituenti. Si distinguono dunque dalle usuali leghe metalliche, contenenti un elemento principale ed altri in percentuali molto minori. Questo bilanciamento percentuale rende le HEA più robuste, duttile e tenace dei materiali finora noti.

E non finisce qui, questo materiale presenta un’altra caratteristica particolare. Solitamente le leghe metalliche presentano migliori caratteristiche meccaniche all’aumentare della temperatura. Per il CrCoNi accade esattamente il contrario: ossia, duttilità e robustezza aumentano al diminuire della temperatura. Secondo Easo George, uno fra i più influenti professori e ricercatori su teoria e sviluppo delle leghe avanzate, spesso i materiali scoperti non presentano elevata performance meccanica unita ad un loro miglioramento all’abbassamento della temperatura.

Questo materiale, alla temperatura di 20 Kelvin (circa 253° C sottozero!) presenta una tenacità di ben 500 Megapascal. Oltre cinque volte superiore al valore dei migliori acciai prodotti! Questa proprietà deriva dalla particolare configurazione atomica del CrCoNi. In esso, le irregolarità dei reticoli cristallini (dette dislocazioni) presenta dei gradi di libertà che, quando si sottopone il materiale ad una sollecitazione esterna, ne consentono allo stesso tempo la deformazione duttile ed una notevole tenacità. 

Quali saranno gli impieghi del CrCoNi?

In pratica siamo di fronte ad un esempio reale del “mi piego, ma non mi spezzo!”. Un materiale con proprietà simili non può certo rimanere un puro esercizio di stile sperimentale. Al contrario, una volta comprese appieno e consapevolmente le sue caratteristiche fisico-chimiche, arriverà il momento di calarlo quanto prima nelle implicazioni pratiche che potrebbero vederlo protagonista. Chiaramente un conto è scoprire un materiale, decisamente un altro è impiegarlo senza averlo opportunamente sperimentato e testato. Di coseguenza, prima di trovare un effettivo impiego pratico del CrCoNi su larga scala presumibilmente potrebbero volerci anni (anche decine).

Viste le importanti e performanti caratteristiche meccaniche che possiede, presumibilmente il CrCoNi verrebbe impiegato principalmente come materiale strutturale. Vale a dire che entrerebbe nella cerchia di quei prodotti utilizzati per realizzare costruzioni (come cemento armato, acciaio, alluminio, legno strutturale, ecc), meccanismi, mezzi di trasporto e così via. L’ambito preferenziale sembrerebbe essere quello dei mezzi aerospaziali, in particolar modo razzi o satelliti artificiali. Le ottime caratteristiche di tenacità e resistenza del CrCoNi ben si sposerebbero, infatti, con le condizioni poco amichevoli dello spazio (elevatissime sollecitazioni meccaniche e velocità, temperature estreme, oggetti volanti incontrollati e via discorrendo).

C’è, però, un problema di non poco conto da affrontare: il costo dei materiali costituenti questa lega. Il cobalto e il nichel sono infatti elementi piuttosto rari da trovare in natura, pertanto molto costosi. L’impiego seriale del CrCoNi risulterebbe quindi molto complicato ed oneroso. L’ipotesi più papabile, a questo punto, sarebbe quella di impiegare questo materiale come base di partenza per la scoperta di altre leghe HEA costituite da elementi più facilmente reperibili e, di conseguenza, meno costose. Questo scenario cambierebbe non poco le carte in tavola, rendendo a quel punto le leghe HEA il futuro per strutture mai così tenaci e resistenti.