Multifunctional Ni-Mn-based Heusler compounds from bulk to nanoparticles by ball-milling techniques

Le leghe Heusler a base di Ni-Mn-X sono materiali affascinanti sia dal punto di vista fondamentale che tecnologico per le straordinarie multifunzionalità. Infatti, essi presentano un forte accoppiamento tra le proprietà magnetiche, elastiche e caloriche, che è principalmente dovuto all'insorgenza di una trasformazione non-diffusiva, termo-elastica chiamata trasformazione martensitica. Mentre in forma bulk questi materiali sono stati già ampiamente studiati, relativamente poco ancora si conosce sul cambiamento delle loro proprietà riducendo le dimensioni, e in particolare se si possano ottenere in forma di nanoparticelle. In questo lavoro di Dottorato, si è scelto di investigare tre composti con specifiche composizioni quali Ni50Mn30Ga20, Ni50Mn18.5Cu6.5Ga25, Ni45Co5Mn37In13, provando a ridurre la taglia verso la nanoscala in un processo top-down utilizzando la tecnica di ball-milling ed investigando la possibilità di ottenere proprietà magneto-strutturali simili a quelle del bulk, per potenziali nuove applicazioni nel campo della conversione dell’energia e in biomedicina. Con l'obiettivo di ottimizzare il metodo di preparazione di micro e nanoparticelle, sono state utilizzate e testate diverse tecniche di macinazione, quali la macinazione a temperature criogeniche (cryo-milling), la macinazione ad alta energia vibrazionale (high-energy vibrational ball-milling), il mulino planetario con l'assistenza di un solvente e/o un surfattante, e sono stati variati tempi ed energia di macinazione. Per ciascun sistema Heusler è stata studiata la morfologia delle particelle ottenute e l'effetto della diminuzione di taglia e dell'introduzione di stress e difetti sulle proprietà strutturali e magnetiche. Una parte fondamentale di questo lavoro è stata dedicata all'ottimizzazione delle condizioni di trattamento termico (tempo, temperature, rate di raffreddamento) per il recupero delle trasformazioni e proprietà originarie, analizzando la struttura cristallina e il comportamento termo-magnetico in funzione dei trattamenti applicati. Dal confronto delle proprietà delle polveri con quelle del bulk di partenza e delle polveri più grosse (ottenute dalla macinazione a mano) si sono potuti evidenziare e capire i cambiamenti della trasformazione martensitica e del comportamento magnetico in funzione della taglia delle particelle. Infine, è stato confrontato l'effetto del ball-milling per ottenere nanoparticelle e l'efficacia dei successivi trattamenti termici per il recupero della fase tra i tre sistemi investigati. Ciò ha permesso di evidenziare le diverse caratteristiche di stabilità strutturale, meccanica e composizionale che li differenziano e contraddistinguono.