Osservare in tempo reale il congelamento dei metalli

Il team del Prof. Dr. John Banhart (1. da destra) detiene il record mondiale nella tomografia a raggi X 3D. Attualmente, i membri del team possono acquisire 50 tomogrammi al secondo. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Gli scienziati dei materiali vogliono comprendere meglio la crescita dendritica con l'aiuto della tomografia a raggi X 3D e per questo intendono aumentare la velocità di acquisizione delle immagini radiografiche di venti volte.

Osservando il metallo mentre si solidifica, sembra che crescano tanti piccoli alberi. Queste strutture sono chiamate dendriti, dal greco déndron, che significa albero. Per questo la scienza parla di crescita dendritica. Questo processo di solidificazione è altamente complesso e in parte ancora poco compreso. Chi vuole osservare ha però bisogno di raggi X, poiché solo questi attraversano il metallo. Per decifrare il processo di solidificazione, ora è disponibile un metodo adatto: la tomografia a raggi X 3D, poiché la crescita dendritica è un processo tridimensionale e avviene a velocità incredibile.

La tomografia a raggi X 3D è estremamente veloce. Attualmente, i ricercatori del Prof. Dr. John Banhart riescono a acquisire 50 tomogrammi al secondo. È un record mondiale. «Ma per la crescita dendritica non è ancora abbastanza veloce», dice il responsabile del dipartimento di strutture e proprietà dei materiali dell'Università Tecnica. «Vogliamo raggiungere i 1000 tomogrammi al secondo e così applicare per la prima volta la tomografia anche al processo di solidificazione dei metalli, per comprenderlo meglio.» Il termine “tomografia” è stato coniato recentemente dal team di Banhart. I ricercatori vogliono esprimere con questo termine l’enorme velocità che ormai riescono a raggiungere, distinguendosi anche linguisticamente dalla più lenta fase preliminare – la tomografia 3D.

La Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ha valutato questa ricerca come «particolarmente innovativa» e ha approvato un «Progetto Reinhart-Koselleck». Con questa linea di finanziamento, ricercatori riconosciuti per le loro prestazioni scientifiche hanno la possibilità di dedicarsi a progetti ad alto rischio. Il progetto Reinhart-Koselleck è finanziato dalla DFG per cinque anni con un totale di 750.000 euro, sotto la guida del Prof. Dr. John Banhart.

Con la tomografia 3D vengono acquisiti in frazioni di secondo tomogrammi radiografici tridimensionali e trasformati in un film 3D. Banhart e il suo gruppo di lavoro hanno già esperienza nell’applicazione di questa tecnologia allo studio delle strutture metalliche. Questo materiale viene utilizzato, ad esempio, per elementi di smorzamento nel settore meccanico e leggero. Ci sono anche i primi tentativi di incapsulare motori di veicoli elettrici in schiuma di metallo per proteggerli da corpi estranei che potrebbero causare cortocircuiti e esplosioni.

Come quasi tutte le schiume, anche la schiuma di metallo tende a non essere stabile. La bella schiuma di birra scompare più velocemente di quanto si desideri, e nella vasca da bagno si può letteralmente assistere alla esplosione delle bolle di schiuma. Per questo si dice anche in modo popolare che i sogni sono schiuma. Questa instabilità della schiuma preoccupa anche i scienziati dei materiali come il Prof. Dr. John Banhart. «Le schiume di metallo si ottengono da una polvere di metallo e un agente espandente. Quest’ultimo è anch’esso una polvere di metallo e idrogeno. Entrambi vengono mescolati, compattati e riscaldati, e durante questo processo l’agente espandente rilascia idrogeno, facendo gonfiare il composto. Durante la solidificazione, le bolle esplodono e si uniscono formando strutture più grandi. Questo è un processo indesiderato, perché peggiora le proprietà meccaniche del materiale», spiega Banhart. Grazie alla tomografia 3D, il suo gruppo è riuscito a descrivere perché le bolle esplodono: la causa sono pressioni locali intorno alle particelle dell’agente espandente. «Per questo motivo stiamo cercando un nuovo agente espandente che si distribuisca più uniformemente nel metallo e produca una schiuma più morbida», conclude Banhart.

Un’altra applicazione della tomografia riguarda i processi in cui un raggio laser fonde il metallo in tempi brevissimi. Si tratta di saldatura e taglio laser, ma anche di produzione additiva, nota anche come stampa 3D, in cui il materiale viene depositato strato su strato per formare un componente. Il gruppo di Banhart vuole usare la tomografia a raggi X 3D per scoprire cosa succede durante i brevi momenti di fusione e ricongelamento.

Un secondo obiettivo è elaborare matematicamente le enormi quantità di dati – diverse terabyte al minuto – che verranno generate, affinché portino a nuove scoperte. «Siamo di fronte a una sfida enorme», afferma Banhart. Il terzo obiettivo della ricerca è sviluppare dispositivi sperimentali funzionali e portatili, che consentano di effettuare le acquisizioni presso il sincrotrone dell’Istituto Paul Scherrer in Svizzera. Banhart spiega: «Abbiamo bisogno di raggi X intensi, e questi ci vengono forniti solo dai sincrotroni.»