L’alluminio è da tempo un materiale chiave per un’economia a basse emissioni di carbonio, grazie alla sua leggerezza e resistenza alla corrosione. È utilizzato in svariati settori, dalle automobili leggere ai serbatoi per lo stoccaggio dell’idrogeno verde. Tuttavia, una barriera tecnica ne ha finora limitato l’impiego nelle tecnologie legate all’idrogeno: l’improvvisa fragilità causata dall’assorbimento di questo gas, un fenomeno noto come hydrogen embrittlement (fragilità da idrogeno), che può portare a fessurazioni e cedimenti strutturali.
Fino ad oggi, le leghe di alluminio in grado di resistere a questo fenomeno erano troppo morbide per applicazioni strutturali ad alte prestazioni. Ma una nuova ricerca condotta dal Max Planck Institute for Sustainable Materials (MPI-SusMat) in Germania, insieme a partner accademici in Cina e Giappone (Xi’an Jiaotong University e la Shanghai Jiao Tong University), ha appena segnato una svolta. Il loro lavoro, pubblicato sulla rivista Nature, propone una strategia innovativa di progettazione delle leghe che coniuga alta resistenza meccanica e resistenza alla fragilità da idrogeno.
Nanoprecipitati doppi: intrappolano l’idrogeno e rafforzano la lega
Il cuore di questo progresso è una complessa strategia di precipitazione controllata in leghe di alluminio-magnesio arricchite con scandio. Attraverso un trattamento termico in due fasi, i ricercatori hanno creato nanostrutture composte da precipitati finissimi di Al₃Sc, ricoperti da una fase strutturalmente complessa di Al₃(Mg,Sc)₂ che si forma in situ.
Questi “nanoprecipitati doppi” svolgono due funzioni cruciali: la fase esterna, Al₃(Mg,Sc)₂, intrappola l’idrogeno migliorando la resistenza alla fragilità, mentre i precipitati interni di Al₃Sc aumentano la resistenza meccanica della lega.
“Con questa strategia di progettazione abbiamo risolto un compromesso che sembrava inevitabile,” spiega il professor Baptiste Gault, responsabile del gruppo di ricerca “Atom Probe Tomography” del MPI-SusMat. “Non dobbiamo più scegliere tra resistenza meccanica e resistenza all’idrogeno: questa lega garantisce entrambe”.
I numeri parlano chiaro: un incremento del 40% della resistenza e una resistenza alla fragilità da idrogeno migliorata di cinque volte rispetto alle leghe prive di scandio. Inoltre, la nuova lega ha raggiunto una tensile elongation uniforme record in condizioni di carica d’idrogeno (fino a 7 ppmw), dimostrando una duttilità eccellente anche sotto esposizione al gas.
Dalla ricerca al mondo industriale
Fondamentali per la comprensione di questi risultati sono state le analisi di tomografia a sonda atomica svolte presso il MPI-SusMat, che hanno permesso di osservare l’interazione dell’idrogeno con la lega a livello atomico. Il lavoro è stato integrato da esperimenti di microscopia elettronica e simulazioni condotte nei laboratori dei partner asiatici.
Non si tratta solo di una scoperta da laboratorio. I ricercatori hanno testato la loro strategia su diversi sistemi di leghe di alluminio e dimostrato che il metodo è compatibile con le tecnologie industriali esistenti, utilizzando tecniche consolidate come la fusione in stampi di rame raffreddati ad acqua e processi termomeccanici.
Questo studio apre così la strada a una nuova generazione di materiali in alluminio, progettati su misura per le esigenze dell’economia dell’idrogeno: sicuri, resistenti e pronti per la produzione su scala industriale.
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