Un team di ricerca della Yokohama National University ha sviluppato una tecnica per capire come le caratteristiche fisiche del titanio sono influenzate dall’orientamento e dal comportamento degli elettroni contribuendo a produrre leghe di titanio più avanzate ed efficienti.
I ricercatori della Yokohama National University ha sviluppato un metodo per spiegare come le caratteristiche fisiche del titanio sono influenzate dall’orientamento e dal comportamento degli elettroni. Queste scoperte, pubblicate su Communications Physics e riportate da Phys.org, potrebbero aprire la strada alla produzione di leghe di titanio più avanzate ed efficienti.
Il titanio è un metallo molto prezioso per la sua notevole resistenza alla corrosione chimica, la leggerezza e l’elevato rapporto resistenza/peso. La sua biocompatibilità lo rende ideale per applicazioni mediche, come impianti, protesi e ossa artificiali, mentre la sua resistenza e durata sono utili nella produzione aerospaziale e di precisione.
Per avere un’idea di come gli atomi e gli elettroni del titanio generano queste proprietà, i ricercatori hanno utilizzato un processo chiamato generazione di armoniche elevate.
“Quando illuminiamo un materiale solido con impulsi laser a infrarossi intensi, gli elettroni all’interno di quel materiale emettono segnali luminosi a frequenze superiori a quelle del raggio laser originale. Tali segnali ci aiutano a studiare il comportamento degli elettroni e il legame degli atomi” spiega Ikufumi Katayama, il primo autore dello studio della Yokohama National University.
La generazione di armoniche elevate è difficile con il titanio e altri metalli, perché gli elettroni liberi che li rendono eccellenti conduttori elettrici interagiscono anche fortemente con il campo laser e lo schermano nel materiale. Ciò indebolisce i segnali luminosi, riducendone la chiarezza e rendendo più difficile la raccolta di dati: “Abbiamo regolato attentamente le impostazioni laser per ridurre l’effetto schermante, consentendoci di osservare chiaramente il comportamento della struttura elettronica del titanio” prosegue Katayama.
Simulazioni al computer
Gli scienziati della Yokohama National University hanno utilizzato simulazioni al computer per studiare i segnali luminosi emessi in risposta al laser, scoprendo che la maggior parte di essi proveniva da elettroni che si muovevano all’interno di determinate zone chiamate bande di energia. Queste bande agiscono come tracce in cui gli elettroni possono muoversi liberamente. La direzione del laser e il modo in cui sono disposti gli atomi di titanio hanno influenzato il modo in cui questi elettroni si sono mossi e legati.
Migliorare le leghe di titanio è uno dei grandi obiettivi della ricerca sui materiali. Il titanio ha una speciale struttura uniassiale che può cambiare con la lega, e le sue proprietà, come resistenza e flessibilità, dipendono dalla direzione in cui viene applicata una forza. In altre parole, il titanio si comporta in modo diverso a seconda della direzione in cui lo si spinge o lo si tira. Questo accade perché il modo in cui sono disposti gli atomi di titanio fa sì che gli elettroni non si muovono allo stesso modo in tutte le direzioni. Quando un laser colpisce il titanio, la maniera in cui gli elettroni assorbono energia cambia, influenzando il modo in cui si legano in direzioni diverse.
I ricercatori hanno anche scoperto che quando gli elettroni si muovono tra diverse bande di energia, vengono emessi meno segnali, dimostrando che il comportamento degli elettroni è influenzato dal modo in cui gli atomi si allineano. Questa differenza determina se i legami sono forti o deboli e quindi quanto è flessibile o resistente il titanio: “Mappando il modo in cui questi legami cambiano con la direzione, possiamo capire perché il titanio ha proprietà meccaniche così uniche e possiamo progettare leghe di titanio più resistenti che funzionino meglio in diverse condizioni, creando materiali più resistenti ed efficaci per settori come l’aviazione, la medicina e la produzione” afferma l’altro autore dello studio, Tetsuya Matsunaga della Japan Aerospace Exploration Agency.
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