Alluminio più resistente e resistente all’idrogeno svelato

L’ascesa dell’alluminio: da metallo di lusso a pilastro industriale

Alcuni metalli si sono evoluti nel tempo da rarità a commodity. Questo è sicuramente il caso dell’alluminio, scoperto nella sua forma metallica solo nel 1825, nonostante sia il metallo più abbondante nella crosta terrestre, persino più comune del ferro.

La differenza rispetto al ferro è che l’alluminio è estremamente difficile da raffinare, richiedendo temperature molto elevate. Di conseguenza, inizialmente era più prezioso dell’oro e veniva usato solo come metallo di lusso per gioielli e posate.

Si dice che Napoleone abbia organizzato un banchetto in cui gli ospiti più onorati ricevevano utensili di alluminio mentre gli altri dovevano accontentarsi dell’oro.

Con l’invenzione di processi industriali più avanzati, è diventato il metallo di riferimento per applicazioni resistenti alla corrosione, nonché per tutto ciò in cui il peso leggero è fondamentale, come le applicazioni automobilistiche e aerospaziali. Oggi è anche un metallo popolare per la stampa 3D.

Tuttavia, è probabile che possano essere apportati ulteriori miglioramenti alle leghe di alluminio, grazie a strutture nanoscalari più avanzate.

Questo è ciò che hanno scoperto i ricercatori dell’Università Xi’an Jiaotong, dell’Università Shanghai Jiao Tong, dell’Università di Lanzhou, dell’Università di Shandong, dell’Università di Tecnologia del Hebei, dell’Università di Kyushu (Giappone), dell’Imperial College (Regno Unito) e dell’Istituto Max Planck (Germania).

Hanno sviluppato un nuovo tipo di lega di alluminio con un aumento del 40% della resistenza e un incremento di cinque volte della resistenza all’idrogeno, aprendo la strada a nuove applicazioni dell’alluminio in una futura economia dell’idrogeno.

Hanno pubblicato i loro risultati nella prestigiosa rivista Nature¹, con il titolo “Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys”.

Il ruolo dell’alluminio in una futura economia dell’idrogeno

Non appena l’umanità ha scoperto come produrre temperature sufficientemente elevate per la fusione dell’alluminio, è diventato un metallo industriale molto importante. Questo perché è contemporaneamente leggero, resistente e resistente alla corrosione.

Fonte: Erect a Step

È anche superiore all’acciaio in termini di lavorabilità, ovvero la facilità di lavorarlo con utensili meccanici.

Infine, l’alluminio è un conduttore molto migliore di calore ed elettricità, ed è effettivamente il metallo utilizzato nelle linee elettriche ad alta tensione, mentre il rame è impiegato solo per le connessioni elettriche locali.

È anche comunemente usato in tubazioni e serbatoi. Tuttavia, non si comporta bene in questo ruolo quando si tratta di immagazzinare e trasportare idrogeno. Quando è esposto all’idrogeno, subisce un processo chiamato “fragilizzazione”, che porta a crepe e rotture.

 Comprendere la fragilizzazione da idrogeno nei metalli

La fragilizzazione da idrogeno è un fenomeno che deriva dall’assorbimento di atomi di idrogeno da parte del metallo, riducendo la duttilità del metallo o la sua capacità di piegarsi prima di fratturarsi.

Si verifica in acciai, ferro, nichel, titanio, cobalto e loro leghe. Rame, alluminio e acciai inossidabili sono meno soggetti alla fragilizzazione da idrogeno, ma ne sono comunque affetti.

La cricca si forma solitamente attorno ai grani dei composti metallici, poiché è lì che gli atomi di idrogeno si infiltrano e riducono la duttilità.

Fonte: MTC Solutions

Questo è un problema ricorrente per lo sviluppo di una potenziale economia dell’idrogeno, poiché i metodi tradizionali utilizzati per costruire condutture, serbatoi e valvole affrontano il problema reale di rapida degradazione e formazione di perdite.

Questo è un problema per la costruzione dell’infrastruttura necessaria al dispiegamento su larga scala dell’idrogeno come combustibile.

Leghe rivoluzionarie: alluminio potenziato con scandio

Aggiunta di scandio

Per ridurre la fragilizzazione da idrogeno, la soluzione migliore è che altri elementi assorbano l’idrogeno, proteggendo il metallo di alluminio. I ricercatori hanno utilizzato un metodo per creare nanoprecipitati di alluminio-scandio (Al3Sc).

Scandio è un elemento delle terre rare, la cui unica applicazione principale risiede nelle leghe di alluminio. La tomografia a sonda atomica (APT) ha mostrato che una lega normale di alluminio-magnesio ha una dimensione media dei grani di 200 μm. Al contrario, la lega di alluminio-magnesio-scandio ha una dimensione media dei grani di soli 100 μm.

Fonte: Nature

Su questi precipitati si forma una struttura 3D altamente complessa di alluminio-magnesio-scandio (Al3(Mg,Sc)2). Sembra che lo scandio stabilizzi la struttura e formi un guscio esterno di magnesio-scandio che ricopre il grano di alluminio nella lega.

Fonte: Nature

Questi doppi nanoprecipitati sono distribuiti in tutta la lega per svolgere due ruoli chiave: la fase Al3(Mg,Sc)2 intrappola l’idrogeno e migliora la resistenza all’idrogeno, mentre le particelle fini di Al3Sc aumentano la resistenza.

 Migliorare la resistenza e la durabilità con Al₃(Mg,Sc)₂

La lega appena inventata ha una resistenza allo snervamento più forte dell’80% (circa 100 MPa), ovvero la massima sollecitazione che può essere applicata prima di un cambiamento permanente della forma.

Tuttavia, ha anche il 20% in meno di allungamento totale in trazione, cioè la lunghezza alla quale la lega può essere allungata prima di rompersi, rispetto a una lega senza scandio.

Inoltre, l’esposizione all’idrogeno è molto meno dannosa, rendendo la lega di alluminio-magnesio-scandio caricata di idrogeno più resistente della normale lega di alluminio-magnesio priva di idrogeno.

Fonte: Nature

In sintesi, si tratta di un aumento del 40% della resistenza e di un miglioramento di cinque volte della resistenza alla fragilizzazione da idrogeno rispetto alle leghe senza scandio.

“La nostra nuova strategia di progettazione risolve questo tipico compromesso. Non dobbiamo più scegliere tra alta resistenza e resistenza all’idrogeno – questa lega offre entrambi.”Pr. Baptiste Gault – Head of the group “atom probe tomography” at MPI-Susmat 

Validazione scientifica della resistenza all’idrogeno

Analisi successive con microscopia elettronica e modellazione al computer hanno approfondito il funzionamento.

La microscopia elettronica ha dimostrato visivamente che gli atomi di idrogeno si accumulano effettivamente nelle stesse aree ricche di scandio, provando il legame diretto tra lo scandio e la protezione dell’alluminio dall’assorbimento di idrogeno e dalla fragilizzazione.

Fonte: Nature

È stato inoltre sviluppato un modello computerizzato per teorizzare come si formano le nanostrutture. Sembra indicare che la lega appena scoperta supera tutti i composti intermetallici e difetti cristallini noti, finora segnalati sperimentalmente o previsti teoricamente nelle leghe di alluminio.

Fonte: Nature

Soluzioni scalabili per l’uso industriale

Questo metodo è stato anche testato dai ricercatori per funzionare con vari metodi di produzione della lega di alluminio.

Hanno inoltre dimostrato la scalabilità utilizzando colata in stampi di rame raffreddati ad acqua e metodi di lavorazione termomeccanica in linea con gli standard industriali attuali.

Questo dovrebbe diventare la base per una futura generazione di materiali in alluminio su misura per le esigenze di un futuro alimentato a idrogeno: più resistenti, più sicuri dai rischi di fragilizzazione e pronti per la distribuzione su scala industriale.

Investire nell’industria dell’alluminio

Alcoa: Un attore principale nell’innovazione dell’alluminio

Alcoa è una società globale di alluminio, presente in tutto il mondo e lungo l’intera catena di approvvigionamento dell’alluminio, dalla bauxite al metallo di alluminio, nonché all’alumina (il prodotto intermedio tra bauxite e alluminio).

Fonte: Alcoa

L’azienda gestisce 41,3 Mdmt (milioni di tonnellate metriche secche) di operazioni di bauxite nel 2024 e invia l’85% delle sue spedizioni alle raffinerie Alcoa.

Solo il 32% dei 13,2 Mt di alumina prodotta è inviato alle fonderie Alcoa, che producono 2,6 milioni di tonnellate di alluminio nel 2024, mentre il resto è venduto a terzi.

Fonte: Alcoa

L’azienda produce alluminio in varie forme per soddisfare i requisiti di numerosi settori manifatturieri.

Fonte: Alcoa

In generale, la produzione di alluminio è un’attività molto energivora, che consuma elettricità direttamente per la fusione, petrolio per l’estrazione, carbone per fornire carbonio nel processo di fusione, oltre a materiali ad alta intensità energetica come i prodotti chimici caustici.

Tuttavia, Alcoa ha compiuto importanti sforzi per ridurre la sua impronta di carbonio, diventando un leader di settore in termini di emissioni di carbonio, in parte grazie agli impianti idroelettrici. Offre inoltre la linea di prodotti Alcoa Sustana, con emissioni di carbonio ridotte e un contenuto più elevato di metallo riciclato.

Fonte: Alcoa

Le tariffe potrebbero influire sull’azienda, poiché gli impianti in Canada e Brasile (tra gli altri) dovranno affrontare tariffe elevate per vendere negli USA. Tuttavia, l’azienda possiede anche impianti di produzione negli USA, e il valore dell’alluminio prodotto domesticamente è aumentato di conseguenza, il che dovrebbe migliorare la redditività delle fonderie americane di Alcoa.

Fonte: Alcoa

In generale, Alcoa è una scommessa solida sulla continua popolarità dell’alluminio per la produzione avanzata, l’aerospazio e la rete elettrica, tutti settori in cui la domanda dovrebbe crescere nei prossimi anni.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Alcoa (AA)

Studi citati:

^{1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al. Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys. Nature 641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}