Il nichel è uno degli elementi più abbondanti sulla terra. È duro, ma malleabile, magnetico a temperatura ambiente e un conduttore di elettricità e calore relativamente buono. In particolare, il nichel è altamente resistente alla corrosione, il che lo rende adatto a molti usi industriali.
Tuttavia, una scoperta sorprendente di un team di ricercatori della Texas A&M University ha dimostrato che il nichel non solo si corrode, ma lo fa in un modo in cui gli scienziati non si aspettavano.
Il team è stato guidato dal Dr. Michael Demkowicz, professore associato e direttore laureato presso il Dipartimento di Ingegneria e Scienza dei Materiali e direttore del Centro per l'Eccellenza della Ricerca sui Solidi Deformati Dinamicamente presso la Texas A&M University.
La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Materials della American Physical Society in un articolo intitolato "Preferential Corrosion of Coherent Twin Boundaries in Pure Nickel Under Cathodic Charging.
Un'osservazione sorprendente
Come un grande puzzle finito, i materiali sono composti da pezzi ad incastro. Microscopicamente, il nichel è costituito da aggregati di cristalli o granuli piccoli e compatti.
La corrosione attacca preferibilmente i punti di contatto, o "bordi", tra questi grani. Questo fenomeno, noto come corrosione intergranulare, è una forma di degrado localizzata che si verifica a livello microscopico e che mira alla rottura dei materiali posti ai margini di ciascuno di questi bordi, senza intaccare la superficie esterna del materiale. Di conseguenza, indebolisce il materiale dall'interno.
Fino ad ora, gli scienziati pensavano che questo tipo speciale di bordo, conosciuto come geminato coerente, fosse resistente alla corrosione. Ma, sorprendentemente, il team ha scoperto che durante i loro esperimenti quasi tutta la corrosione si è verificata proprio su questi bordi.
"Questa scoperta ha completamente stravolto decenni di ipotesi sulla corrosione dei metalli", ha affermato Michael J. Demkowicz.
I geminati coerenti sono aree in cui il modello della struttura interna del materiale forma un'immagine speculare di sé stesso lungo un bordo condiviso. Si verificano quando le formazioni cristalline poste su entrambi i lati del bordo di un atomo si allineano in modo ordinato. Questi tipi di bordi nascono naturalmente durante la cristallizzazione, ma possono anche essere il risultato di influenza meccanica o termica.
"Il nichel puro è estremamente resistente alla corrosione. Ma quando l'abbiamo caricato catodicamente (con energia passiva e più bassa), e quindi con meno probabilità di corrodersi, abbiamo notato masse corrosive visibili sui geminati coerenti", ha detto Mengying Liu, studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria e Scienza dei Materiali della Texas A&M e primo autore dello studio. "Questa scoperta aiuterà gli ingegneri a prevedere dove è più probabile che si verifichi la corrosione e può persino portare alla produzione di metalli in grado di corrodersi di meno".
Una migliore comprensione
La ricerca del team non solo fornisce agli ingegneri una visione di cruciale importanza dei materiali spesso utilizzati in situazioni che richiedono resistenza alla corrosione, ma offre anche una nuova prospettiva per quanto riguarda la corrosione intergranulare lungo i geminati coerenti.
Per anni, i ricercatori hanno operato pensando che i geminati coerenti fossero resistenti alla corrosione. Nel tentativo di ridurre la corrosione, hanno inoltre lavorato per creare metalli caratterizzati da un numero maggiore di questo tipo di bordi.
"Questa scoperta ha completamente stravolto decenni di ipotesi sulla corrosione dei metalli", ha detto Demkowicz. "Nel tentativo di ridurre la corrosione, le persone hanno prodotto metalli che contengono il maggior numero possibile di geminati coerenti. Ora l'intera strategia dovrà essere riconsiderata".
Demkowicz ritiene che le conoscenze scientifiche fornite da questo studio possano essere persino più importanti delle sue applicazioni tecnologiche. "Si scopre che il ragionamento che in precedenza ci ha portato a credere che i geminati coerenti fossero resistenti alla corrosione è sbagliato", ha detto. "Questo lavoro ci fornisce indizi su come migliorare la nostra conoscenza in materia di corrosione dei metalli".
Questo lavoro è stato supportato dal Dipartimento statunitense per l'Energia - Amministrazione per la Sicurezza Nucleare Nazionale con assegnazione n. DE-NA0003857, dal Dipartimento statunitense per l'Energia - Ufficio delle Scienze Energetiche Base con assegnazione n. DE-SC0008926 e dalla Fondazione Nazionale per la Scienza.
Le opinioni, i risultati e le conclusioni o raccomandazioni riportati in questa pubblicazione sono degli autori e non riflettono necessariamente la visione della Amministrazione per la Sicurezza Nucleare Nazionale.