Proiettili perforanti, ugelli per motori a razzo e punte da trapano per tagliare la roccia solida sono solo alcuni dei prodotti realizzati con il tungsteno, uno degli elementi più duri e resistenti al calore dell'universo.
Il tungsteno, come la maggior parte degli altri elementi metallici, non si trova in natura come un pezzo di metallo lucido. Deve essere isolato chimicamente da altri composti, in questo caso il minerale naturale wolframite. Ecco perché il simbolo del tungsteno sulla tavola periodica non è T ma W, che è l'abbreviazione di "wolfram". Il nome tungsteno è svedese per "pietra pesante", un riferimento alla densità e al peso inquietanti dell'elemento. Il suo numero atomico (il numero di protoni nel nucleo del suo atomo) è 74 e il suo peso atomico (media pesata dei suoi isotopi naturali) è 183,84.
A una coppia di chimici (e fratelli) spagnoli, Juan José e Fausto Elhuyar, è attribuita la scoperta del tungsteno nel 1783 quando isolarono per la prima volta il metallo bianco-grigiastro dalla wolframite.
Il punto di fusione più alto di tutti i metalli
Una delle proprietà più impressionanti e utili del tungsteno è il suo alto punto di fusione, il più alto di tutti gli elementi metallici. Il tungsteno puro si scioglie a un enorme 6,192 gradi F (3.422 gradi C) e non bollirà fino a quando le temperature non raggiungeranno 10.030 F (5,555 C), che è la stessa temperatura della fotosfera del sole.
Il ferro, per confronto , ha un punto di fusione di 2.800 gradi F (1.538 gradi C) e l' oro diventa liquido a soli 1.947,52 gradi F (1.064,18 gradi C).
Tutti i metalli hanno punti di fusione relativamente alti perché i loro atomi sono tenuti insieme da stretti legami metallici, afferma John Newsam, un chimico e scienziato dei materiali che abbiamo contattato tramite l' American Chemical Society . I legami metallici sono così forti perché condividono gli elettroni attraverso un'intera matrice tridimensionale di atomi. Newsam afferma che il tungsteno sopravvive agli altri metalli a causa dell'insolita forza e direzionalità dei suoi legami metallici.
"Perché è importante?" chiede Newsam. "Pensa a Edison che lavora sui filamenti per la lampadina a incandescenza. Aveva bisogno di un materiale che non solo emettesse luce ma non si sciogliesse a causa del calore".
Edison ha sperimentato molti diversi materiali di filamento, tra cui platino, iridio e bambù , ma è stato un altro inventore americano, William Coolidge, a cui è stato attribuito il merito di aver realizzato i filamenti di tungsteno utilizzati nella maggior parte delle lampadine nel corso del XX secolo.
L'alto punto di fusione del tungsteno ha altri vantaggi, come quando è mescolato come una lega con materiali come l'acciaio. Le leghe di tungsteno sono placcate su sezioni di razzi e missili che devono resistere a un calore tremendo, compresi gli ugelli del motore che espellono flussi esplosivi di carburante per missili.
Perché il tungsteno è così pesante?
La densità dei diversi elementi è un riflesso della dimensione dei loro atomi componenti. Più in basso si ottiene sulla tavola periodica, più grandi e pesanti sono gli atomi.
"Gli elementi più pesanti, come il tungsteno, hanno più protoni e neutroni nel nucleo e più elettroni in orbita attorno al nucleo", afferma Newsam. "Ciò significa che il peso di un atomo aumenta in modo significativo man mano che si scende nella tavola periodica".
In termini pratici, se tenessi un pezzo di tungsteno in una mano e tenessi lo stesso volume di argento o ferro nell'altra, il tungsteno sembrerebbe molto più pesante. Nello specifico, la densità del tungsteno è 19,3 grammi per centimetro cubo. L'argento, in confronto, è circa la metà più denso del tungsteno (10,5 g/cm 3 ), e il ferro è quasi un terzo più denso (7,9 g/cm 3 ).
Il peso ad alta densità del tungsteno può essere un vantaggio in alcune applicazioni. Viene spesso utilizzato nei proiettili perforanti, ad esempio, per la sua densità e durezza. L'esercito usa anche il tungsteno per fabbricare le cosiddette armi a "bombardamento cinetico" che sparano un'asta di tungsteno come un ariete aereo per sfondare i muri e l'armatura dei carri armati.
Durante la Guerra Fredda, l'Air Force avrebbe sperimentato un'idea chiamata Project Thor che avrebbe lasciato cadere un fascio di barre di tungsteno di 20 piedi (6 metri) dall'orbita su obiettivi nemici. Queste cosiddette "barre di Dio" avrebbero avuto un impatto con la forza distruttiva di un'arma nucleare, ma senza la ricaduta nucleare. Risulta che il costo per lanciare le pesanti aste nello spazio era proibitivo.
Solo i diamanti sono più duri del carburo di tungsteno
Il tungsteno puro non è così duro - puoi tagliarlo con una sega a mano - ma quando il tungsteno viene combinato con piccole quantità di carbonio, diventa carburo di tungsteno, una delle sostanze più dure e dure sulla Terra.
"Quando si mettono piccole quantità di carbonio o altri metalli nel tungsteno, si fissa la struttura e si impedisce che si deformi facilmente", afferma Newsam.
Il carburo di tungsteno è così duro che può essere tagliato solo dai diamanti e, anche in questo caso, i diamanti funzionano solo se il carburo di tungsteno non è completamente polimerizzato. Il carburo di tungsteno è fino a tre volte più rigido dell'acciaio, può durare fino a 100 volte più a lungo dell'acciaio in condizioni altamente abrasive e ha la massima resistenza alla compressione di tutti i metalli forgiati, il che significa che non si ammacca o si deforma se schiacciato sotto una forza tremenda .
L'uso più comune del carburo di tungsteno - e la destinazione finale della maggior parte del tungsteno estratto sul pianeta - sono strumenti specializzati, in particolare punte da trapano. Qualsiasi tipo di punta da trapano per il taglio di metallo o roccia solida deve resistere a livelli di attrito severi senza smussarsi o rompersi. Solo le punte diamantate sono più dure del carburo di tungsteno, ma sono anche molto più costose.
Altri usi interessanti per il tungsteno
La durezza, la densità e la resistenza al calore del tungsteno lo rendono ideale per molte applicazioni di nicchia:
- I microscopi elettronici emettono un flusso di elettroni da una speciale punta dell'emettitore in tungsteno.
- La maggior parte delle saldature tra metallo e vetro sono realizzate in tungsteno, perché il tungsteno si espande e si contrae alla stessa velocità del vetro borosilicato, il tipo di vetro più comune.
- I picchi sui cingoli delle motoslitte sono realizzati con leghe di tungsteno.
- Le freccette di livello professionale sono realizzate con tungsteno (il "Wolfram Infinity" è al 97 percento di tungsteno ).
- Nelle penne a sfera , la sfera vera e propria è spesso realizzata in carburo di tungsteno.
- L'industria della gioielleria produce anelli in carburo di tungsteno.
Ora è complicato
I falsari hanno capito molto tempo fa che il tungsteno è denso quasi quanto l'oro , e talvolta cercano di spacciare lingotti di tungsteno placcati in oro come lingotti d'oro puro.
