STRUTTURE DI ALCUNE CLASSI IMPORTANTI DI MATERIALI

STRUTTURE DI ALCUNE CLASSI

IMPORTANTI DI MATERIALI

Esamineremo ora le caratteristiche strutturali di alcune importanti classi di sostanze. Si tratta necessariamente di una selezione limitata di argomenti, che includono: le leghe e i composti intermetallici, le fasi di Zintl, i polimorfi della silice e i silicati, le recenti forme allotropiche del carbonio, cioè i fullereni, tubi di carbonio, i grafeni e altre specie ad essi collegate.

Questi argomenti sono stati già introdotti brevemente nel corso di Chimica Inorganica. Più in dettaglio rimandiamo alle seguenti sezioni:

Metalli, leghe, fasi intermetalliche

Silicati e Alluminosilicati

Carbonio elementare

Leghe e composti intermetallici

Le strutture metalliche. Più di due terzi degli elementi sono metallici ed hanno strutture cristalline che ricadono in una delle tre classi seguenti: a) cubico a facce centrate (fcc), O_h⁵(Fm3m), b) esagonale compatto (hcp), D_6h⁴(P6₃/mmc), o c) cubico a corpo centrato (bcc), O_h⁹(Im3m).

Le strutture delle forme stabili a temperatura ambiente sono indicate in Tabella. Molte altre forme polimorfe, però, sono osservate al variare di temperatura e pressione.

Alcuni metalli presentano strutture alquanto distorte dei tre tipi indicati. Esistono però anche metalli che presentano in condizioni normali strutture diverse: Ga, Sn, Bi, Po, Mn, Pa, U, Np, Pu. Ciascuna di queste strutture ha una sua peculiarità.

Il caso dello stagno è molto interessante. La struttura tipo diamante dell’α-stagno è stabile a pressione ambiente solo fino a 13 °C; sopra i 13 °C si trasforma nella forma β-stagno (stagno bianco) (Figura).La transizione α-Sn → β-Sn si può verificare anche sotto i 13 °C per effetto della pressione.

Anche il silicio e il germanio adottano la struttura del β-Sn ad alte pressioni (circa sopra 1.2 GPa). La trasformazione comporta una alta crescita della densità (per Sn +21%). La struttura del β-Sn si forma da quella α-Sn attraverso una drastica compressione nella direzione di uno dei lati di cella (Figura). In questo modo due atomi prima lontani nella direzione di compressione diventano primi vicini di un atomo; insieme ai quattro atomi già adiacenti in α-Sn realizzano un numero di coordinazione di sei. Il tetraedro regolare presente in α-Sn viene appiattito (con distanze Sn-Sn di 3.02 Å): i due atomi sopra e sotto il piano sono a distanza di 3.18 Å. Queste distanze sono più lunghe che in α-Sn (2.81 Å). Benchè il β-Sn si formi da α-Sn per azione della pressione e presenti una densità maggiore, la trasformazione porta ad un aumento delle distanze interatomiche.

Generalmente per trasformazioni causate dalla pressione valgono le seguenti regole:

Regola pressione-coordinazione di A. Neuhaus:

Al crescere della pressione si ha un aumento del numero di coordinazione.

Paradosso pressione-distanza di W. Kleber:

Quando la pressione aumenta aumentano anche le distanze interatomiche.

In realtà la prima regola consente di interpretare il paradosso (apparente) perchè, come sappiamo, all’aumento del numero di coordinazione cresce la distanza media tra atomi. Ci sono altri esempi in cui queste regole sono osservate. Sotto pressione alcuni composti con la struttura della sfalerite, come AlSb e GaSb, si trasformano in modificazioni corrispondenti alla struttura β-Sn. Altre strutture, come InAs, CdS, e CdSe, adottano la struttura tipo NaCl se compresse, raggiungendo la coordinazione 6. Citiamo infine la trasformazione grafite (c.n. 3, distanza C-C 1.415 Å, densità 2.26 g cm^-3) ― pressione → diamante (c.n. 4, C-C 1.54 Å, 3.51 g cm^-3).

Leghe ordinate e disordinate

I principi geometrici dell’impacchettamento di sfere rigide non si applicano solo ai metalli puri, ma anche quando vengono combinati atomi simili, specialmente nell’ambito della grande famiglia dei composti intermetallici.

Metalli diversi possono spesso essere mescolati tra loro allo stato fuso; essi formano cioè soluzioni omogenee. Si ottiene una soluzione solida per raffreddamento rapido del liquido; nella lega disordinata così ottenuta gli atomi sono distribuiti in modo casuale. Un raffreddamento lento può portare talvolta a soluzioni solide, ma è più comune che si verifichi una segregazione, in uno dei seguenti modi:

1. I metalli cristallizzano separatamente (completa segregazione).

2. Cristallizano due tipi di soluzioni solide, del metallo 1 nel metallo 2 e viceversa (miscibilità limitata).

3. Cristallizza una lega di composizione definita:

la sua composizione può essere diversa da quella del liquido (si forma un composto intermetallico). La composizione del liquido cambia durante il processo di cristallizzazione e possono cristallizzare altri composti intermetallici di diversa composizione. Il diagramma di fase mostra quali sono le possibilità.

La tendenza a dare soluzioni solide dipende essenzialmente da due fattori, cioè la relazione chimica tra i due metalli e i raggi relativi tra i loro atomi.

Due metalli chimicamente simili con atomi di dimensioni vicine formano leghe disordinate. Ad esempio Ag e Au, che cristallizzano entrambi nell’impacchettamento cubico compatto, hanno atomi di raggio simile (1.444 e 1.442 Å, rispettivamente). Essi formano soluzioni solide di composizione arbitraria, con distribuzione statistica dei due tipi di atomi (indistinguibili strutturalmente). Metalli simili formano soluzioni solide se i raggi non differiscono di più del 15% circa (come Mo/W, K/Rb, K/Cs, ma non Na/Cs).

Se i metalli sono meno simili ci può essere una miscibilità limitata, come nel caso di Zn in Cu (frazione molare massima di Zn 38.4%) e di Cu in Zn (massimo 2.3% di Cu); in più rame e zinco formano anche composti intermetallici.

Se gli atomi sono diversi in dimensioni o natura chimica sono molto più probabili strutture con distribuzioni atomiche ordinate. Poichè una transizione da disordine ad ordine comporta una diminuzione entropica, dalla condizione ΔG = ΔH - TΔS < 0 deriva che il ΔH deve essere negativo, cioè che la struttura ordinata è favorita energeticamente (ha una maggiore energia reticolare).

Se gli atomi hanno dimensioni diverse, anche quando è possibile una miscibilità completa allo stato solido, le strutture ordinate (composti intermetallici) sono favorite ad opportune composizioni. Per esempio: Cu è più piccolo di Au (raggi 1.278 e 1.442 Å, rispettivamente). Essi formano cristalli misti di ogni composizione, ma si formano leghe ordinate con i rapporti stechiometrici AuCu e AuCu₃ (Figura).

AuCu AuCu₃

Il grado di ordine dipende dalla temperatura: aumentando la temperatura l’ordine diminuisce in modo continuo. Quindi non vi è una transizione di fase con una ben definita temperatura di transizione. Questo si vede dall’andamento del calore specifico in funzione della temperatura (Figura, per AuCu₃). Per via della forma della curva questo tipo di transizione ordine-disordine è anche detto una trasformazione Λ ; è un tipo che si riscontra in molte trasformazioni di solidi.

Come nel caso dei composti ionici, gli atomi in un composto intermetallico binario mostrano la tendenza (anche se meno pronunciata) ad essere circondati da atomi dell’altro tipo. Ciò, tuttavia, non si può realizzare simultaneamente per entrambi i tipi di atomi se formano un impacchettamento compatto.

Per composizioni MX_n con n < 3 non si può realizzare sia per M che per X: in tutti i casi ogni atomo deve avere come vicini anche atomi dello stesso tipo. Solo con un maggiore contenuto di X, a cominciare con MX₃(n > 3), sono possibili arrangiamenti in cui ogni atomo M è circondato solo da atomi X; gli atomi X, però, continuano ad avere altri atomi X come vicini.

E’ comune che la stechiometria dei composti si realizzi in ciascuno degli strati esagonali compatti della struttura. Ciò facilita una classificazione razionale dei dati, che sono assai numerosi: è necessario solo fare un grafico della disposizione degli atomi in uno strato e poi specificare quale sia la sequenza degli strati. Le strutture più importanti sono:

	1) Strutture MX₃con disposizione esagonale degli atomi M in uno strato (atomi M in grigio in Figura). Il primo dei due esempi presenta sequenza ABCABC (cubico) il secondo ABAB (esagonale).
	2) Strutture MX₃con disposizione rettangolare degli atomi M in uno strato (Figura). Il primo dei due esempi presenta sequenza ABCABC (cubico) il il secondo ABAB (esagonale).
	3) Strutture MX con filari alternati dei due atomi (Figura). Il primo dei due esempi presenta sequenza ABCABC (cubico) il secondo ABAB (esagonale).

Strutture ad impacchettamento bcc

Si possono formare leghe disordinate quando si mescolano due metalli bcc non troppo diversi per raggio atomico (e.g. K e Rb). E’ però favorita la tendenza a dare leghe ordinate (salvo diventare disordinate ad alte temperature). Anche se i metalli non cristallizzano bcc quando sono mescolati con stechiometria appropriata possono assumere tale arrangiamento. Il b-ottone (CuZn) è un esempio; sotto i 300 °C ha una struttura tipo CsCl (Figura), ma tra 300 °C e 500 °C si verifica una transizione L che genera una struttura disordinata bcc.

Con una struttura tipo CsCl ogni atomo ha adiacenti solo atomi dell’altro elemento, cosa non realizzabile negli impacchettamenti compatti. Questa risulta la struttura più adatta per composti di composizione 1:1.

Più di 130 sono i composti intermetallici rappresentativi di questo tipo, tra cui MgAg, CaHg, AlFe, e CuZn.

Quando la cella elementare di tipo CsCl è moltiplicata e le posizioni atomiche sono occupate da specie diverse si generano superstrutture del tipo CsCl. Se raddoppiamo i lati della cella in tutte e tre le direzioni, otteniamo una cella che consiste di 8 sottocelle, ciascuna con un atomo al centro (Figura).

I 16 atomi in cella possono essere suddivisi in quattro gruppi da quattro ciascuno; ogni gruppo ha una disposizione fcc. A seconda di come gli atomi di elementi diversi tra questi quattro gruppi, otteniamo diversi tipi strutturali (vedi Tabella).

La lista comprende possibilità con alcune posizioni atomiche vacanti (indicate col simbolo di Schottky

). Questa possibilità diminuisce la compattezza. Fintanto che, tuttavia, le posizioni a e b sono occupate da atomi diversi da quelli in c e d, ogni atomo ha ancora come vicini solo atomi di tipo diverso. Quindi questo tipi strutturali sono adatti per composti ionici, incluse la fasi di Zintl con “anioni” semplici come As^3-, Sb^3-o Ge^4-.

Fasi di Hume-Rothery

Le fasi di Hume-Rothery (ottoni) sono una classe di leghe con le strutture dei diversi tipi di ottone (leghe Cu-Zn). Sono dei classici esempi dell’influenza sulla struttura della concentrazione degli elettroni di valenza (VEC) nei metalli. La VEC (Valence Electron Concentration) è definita come

VEC = (numero di elettroni di valenza / numero di atomi)

Le specie sono riportate in Tabella.

Fasi di Hume-Rothery

Composizione	VEC	Struttura	Esempi
a Cu_1-x,Zn_x, x = 0 - 0.38	da 1 a 1.38	Cu
b CuZn	1.50 = 21/14	W	AgZn, Cu₃Al
g Cu₅Zn₈	1.62 = 21/13	Cu₅Zn₈	Ag₅Zn₈, Cu₉Al₄, Na₃₁Pb₈
e CuZn₃	1.75 = 21/12	Mg	AgZn₃, Cu₃Sn, Ag₅Al₃
h Cu_xZn_1-x x = 0 - 0.02	da 1.98 a 2	Mg

L’ a-ottone è una soluzione solida di zinco in rame, con la struttura fcc del rame e gli atomi distribuiti statisticamente nell’impacchettamento. Si ricordi che lo zinco ha una struttura hcp distorta.

Nel b-ottone,che si ottiene per rapido raffreddamento del fuso, gli atomi hanno ancora una distribuzione casuale, e l’impacchettamento è bcc. La composizione non è esattamente CuZn; la fase è stabile solo se la frazione di Zn è del 45 - 48 %.

Anche la fase γ mostra un certo range di composizione da Cu₅Zn_6.9a Cu₅Zn_9.7. Il γ-ottone ha una struttura che può essere descritta come una superstruttura dell’impacchettamento bcc con costanti di cella triplicate, così che la cella elementare ha un volume ingrandito di un fattore 3³ = 27. La cella tuttavia contiene solo 52 atomi, invece di 2 x 27 = 54; vi sono due vacanze con distribuzione ordinata.

A causa degli intervalli di composizione consentiti, leghe con composizione alquanto diversa possono adottare la stessa struttura, come si vede dagli esempi in Tabella. Il fattore determinante è la VEC, che si può calcolare come segue:

Esempi di calcolo della VEC

AgZn	(1+2)/2 = 21/14	Ag₅Zn₈	(5+16)/13 = 21/13	AgZn₃	(1+6)/4 = 21/12
Cu₃Al	(3+3)/4 = 21/14	Cu₉Al₄	(9+12)/13 = 21/13	Cu₃Sn	(3+4)/4 = 21/12
Cu₅Sn	(5+4)/6 = 21/14	Na₃₁Pb₈	(31+32)/39 = 21/13	Ag₅Al₃	(5+9)/8 = 21/12

L’interpretazione teorica della relazione VEC/struttura è stata fornita da H. Jones (Proc. Phys. Soc. 1937, 49, 250). Se partiamo dal rame e aggiungiamo sempre maggiori quantità di zinco, la VEC cresce. Gli elettroni aggiunti devono occupare livelli energetici superiori, cioè l’energia del livello di Fermi viene aumentata e arriva più vicino ai limiti della prima zona di Brillouin (come vedremo). Ciò si verifica circa per un valore di VEC = 1.36. Valori superiori di VEC richiedono la popolazione di stati antileganti; in queste condizioni il reticolo bcc diviene più favorito poichè permette valori maggiori della VEC nella prima zona di Brillouin, fino a circa VEC = 1.48.

Cenno alle applicazioni delle Leghe

Spesso i metalli puri non hanno proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione tali da consentirne l’utilizzo diretto in certe applicazioni. Per migliorare tali prestazioni vengono mescolati tra loro metalli diversi o metalli con non metalli.

Le leghe, come abbiamo visto, sono miscele solidificate di due o più elementi, nella maggior parte dei casi costituite da soli metalli. Quelle impiegate industrialmente possono essere classificate in base al metallo che ne rappresenta il costituente principale. Si hanno così le leghe ferrose, come gli acciai e le ghise, le cosiddette leghe leggere composte prevalentemente da alluminio e magnesio, le leghe di rame, come i bronzi e gli ottoni, le leghe di nichel, molto simili a quelle dell'acciaio a basso tenore di carbonio e infine le leghe di titanio che mostrano particolari caratteristiche meccaniche.

Una lista degli esempi più noti è data in Tabella (in ordine alfabetico).

ACCIAIO (vedi wikipedia)	Acciaio è il nome dato a una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in % non superiore al 2,06%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.
ALPACCA	Detta anche Argentone o Argento tedesco) è una famiglia di leghe rame-zinco-nickel (Cu 47-64%, Zn 15-42% e Ni 10-25%), aventi buone caratteristiche meccaniche, lucentezza, e resistenza alla corrosione. Apprezzata nella costruzione di piccole parti meccaniche. PF ca. 900, d 8.1-8.7 g cm^-3.
ARGENTANA	E' della famiglia dell'Alpacca. Usata principalmente per monete, posate e oggetti vari. Ha alta resistività elettrica (fra 0,35 e 0,4 μΩ x m) ed è usata per resistori a filo, come la Costantana (lega binaria Cu 60%, Ni 40%) che ha però resistività maggiore (0,49 - 0,51 μΩ x m).
AMALGAMA	Lega di mercurio con altri metalli. Troppo poco mercurio (<44%) produce amalgame fragili, friabili, non lucide. Troppo mercurio (>70%) produce amalgame deboli, granulose, non resistenti. Per questo il materiale usato in odontoiatria (am.dentale) ha un contenuto di mercurio che va dal 50% al 65% con Ag, Sn, Cu, Zn (tecnica in completo declino, molto tossica) .
BRONZO	Lega composta da rame e stagno, dove il metallo aggiuntivo può essere Al, Ni, Be o Sn, anche se spesso il termine bronzo viene inteso come lega rame-stagno. Ha buone caratteristiche meccaniche e grande resistenza alla corrosione. Queste leghe sono lavorabili e si possono laminare, estrudere, forgiare, stampare e trafilare. Aumentando il tenore di Sn, la durezza raggiunge livelli tali da consentire solo pezzi ottenuti per fusione. PF 880-1020 °C, d 8.8.
DURALLUMINIO	Anche chiamato avional, duraluminum, duraluminium o dural, è il nome commerciale di uno dei primi tipi di lega di Al temperata (1909). I principali costituenti sono Cu, Mn, Mg. Modernamente, si utilizza comunemente come equivalente di questo materiale, la lega che si ottiene con il 4,4% di rame, 1,5% di magnesio, 0,6% di manganese e il 93,5% di alluminio valutato per peso. L'uso del Cu migliora la resistenza, ma ne causa anche la corrosione.
ELETTRO	L'elettro è una lega oro e argento che può essere ottenuta artificialmente ma che si rinviene anche in natura specialmente in Asia Minore. Per questo motivo fu uno dei primi materiali utilizzato per la produzione di monete. L'uso dell'elettro venne meno a causa di una continua svalutazione delle corrispondenti monete d'oro, e cessò completamente agli inizi del XVI secolo quando affluì in Europa l'oro americano.
FERROTITANIO	E' una lega ferrosa, in cui Fe è in lega con una concentrazione di titanio, che può variare dal 10–20% al 45–75%, e può contenere una modesta concentrazione di carbonio. E' utilizzata nell'industria siderurgica come agente di purificazione per ferro e acciaio. Il ferrotitanio può essere ottenuto mescolando spugna e rottami di titanio con ferro e fondendoli insieme in un forno a induzione.
GST	GeSbTe è una lega di germanio, antimonio e tellurio. È un materiale a transizione di fase del gruppo del vetro calcogenico usato nei dischi ottici riscrivibili (DVD+RW) e nelle memorie a cambiamento di fase. La sua composizione è GeTe-Sb₂Te₃. Il suo tempo di ricristallizazione è inferiore ai 20 nanosecondi permettendo una "bit rate" fino a 35MB/s in scrittura; si utilizza moltissimo anche la lega Ge₂Sb₂Te₅ nello sviluppo delle memorie a cambiamento di fase.
MU-METAL	Il mu-metal è una lega metallica dotata di alta permeabilità magnetica o µ (da cui il nome), costituita da: 80% Ni, 14,5% Fe, 5% Mo, 0,5% Si e 0,02% Cu. È un materiale usato in fogli come schermo magnetico per separare componenti o sistemi molto sensibili ai campi esterni (esempio schermatura di tubi catodici negli oscilloscopi e delle testine magnetiche impiegate nei registratori a nastro). Ha alta resistività, d 8.7 g/ cm³, T di Curie 410 °C.
OTTONE	Gli ottoni sono leghe di rame (Cu) e zinco (Zn). Bisogna distinguere tra ottoni binari, costituiti da rame e zinco, e ottoni ternari, in cui è presente un terzo elemento caratterizzante, o altri ottoni quaternari in cui sono presenti altri elementi chimici. Le leghe binarie, già discusse in dettaglio sopra, con percentuali di Zn superiori al 45% non hanno interesse pratico. L'influenza di altri elementi in lega può essere studiata attraverso i coefficienti di Guillet: l'aggiunta di un terzo elemento in lega può essere considerata equivalente alla aggiunta o sottrazione di zinco. Usi principali: elettricità (apparecchiature elettriche, interruttori, contatti, etc.), autotrasporti (radiatori, impianti elettrici), munizioni (bossoli), idrosanitaria (rubinetti, valvole, radiatori, tubazioni), industria chimica (scambiatori), industria meccanica (bulloni, viti, ingranaggi), edilizia e arredamento (cerniere, serramenti, maniglie), monete e targhe, strumenti musicali (ottoni). PF 915-955 °C, d 8.4 -8.7 g/ cm³.
PELTRO	E' una lega composta principalmente di stagno (min. 90%), con l'aggiunta di altri metalli (Cu, Bi, Sb). A differenza di altri materiali, non si ossida e tende a rimanere inalterato nel tempo. PF ca. 200 °C.
PRINCISBECCO	E' un termine usato per indicare una lega di rame, zinco e stagno dal colore simile all'oro. Il rapporto tra rame e zinco è nei range 89% - 93% Cu e 11% - 7% Zn. Deve il suo nome all'inventore Christopher Pinchbeck (1670-1732) orologiaio inglese. Tale lega è stata usata da orefici disonesti al posto dell'oro.

Le leghe hanno proprietà meccaniche notevolmente diverse rispetto a quelle degli elementi che le compongono. Come i metalli puri, esse hanno generalmente lucentezza e conducono bene sia il calore sia l'elettricità, ma sono caratterizzate da durezza e resistenza alla corrosione maggiori. L'acciaio, ad esempio, è molto più resistente e compatto del ferro battuto, che può essere considerato ferro allo stato puro, e le leghe di acciaio, miscele di acciaio con metalli quali il cromo, il manganese, il molibdeno, il nichel, il tungsteno e il vanadio, sono a loro volta più resistenti del semplice acciaio.

In base all'uso cui sono destinate, le leghe possono essere divise in alcune categorie fondamentali: le leghe antifrizione, costituite da un componente duro, abitualmente un composto intermetallico, in una matrice più tenera, vengono impiegate prevalentemente nella fabbricazione di cuscinetti per strisciamento; le leghe fusibili, composte da piombo, stagno, cadmio e bismuto, sono usate nella saldatura dei metalli; le leghe magnetiche, ad esempio la lega di ferro e silicio, vengono utilizzate per produrre magneti permanenti o lamine per trasformatori; le leghe per usi elettrici sono impiegate nella produzione di termocoppie e di conduttori con particolari proprietà; le leghe per utensili a base di cobalto, cromo, tungsteno, piccole quantità di ferro, carbonio, silicio e manganese, conservano la durezza anche in condizioni di temperature elevate; le leghe dure e le leghe diamantate vengono invece adoperate per fabbricare utensili da taglio e strumenti usati nell'industria vetraria e nell'artigianato delle pietre dure.

Alcune leghe vengono poi preparate seguendo particolari necessità. Per la fabbricazione di missili, veicoli spaziali o aerei supersonici, ad esempio, devono essere usati materiali leggeri, molto duri e capaci di conservare le proprietà meccaniche anche in condizioni di altissime temperature; quindi sono state sviluppate leghe leggere, ad alta resistenza, di alluminio, berillio e titanio; inoltre nei veicoli spaziali si usano leghe di metalli quali il tantalio, il niobio, il tungsteno, il cobalto e il nichel, capaci di sopportare le particolari condizioni che si manifestano durante il rientro nell'atmosfera terrestre.

Una vasta gamma di leghe speciali contenenti elementi come berillio, boro, niobio, afnio e zirconio è usata nei reattori nucleari per assorbire le particelle generate dalle reazioni. Le leghe niobio-stagno trovano impiego nell'industria dei semiconduttori; infine leghe speciali di rame, nichel e titanio che resistono agli effetti corrosivi dell'acqua salata bollente sono utilizzate negli impianti di dissalazione.

Cenno alla Preparazione. Le leghe vengono generalmente preparate miscelando i materiali fusi (fusione); tuttavia in tempi relativamente recenti sono stati sviluppati dei metodi di produzione che prevedono l'impiego di miscele polverizzate. In questi processi le leghe vengono preparate mescolando polveri di vari materiali, compresse ad alte pressioni e quindi scaldate a temperature appena inferiori al punto di fusione (sinterizzazione). Si ottengono così materiali compatti e omogenei. Tra le varie sostanze ottenibili con questa tecnica vi sono i materiali ceramici. Queste leghe di metallo e carbonio (carburi), boro (boruri), ossigeno (ossidi), silicio (siliciuri) e azoto (azoturi) combinano le proprietà di estrema resistenza alle alte temperature, di stabilità e di resistenza all'ossidazione della ceramica con la duttilità e la resistenza agli urti tipica dei metalli. Un'altra tecnica per la preparazione di leghe consiste nell'impiantazione ionica: un fascio di ioni di carbonio, azoto o altro elemento è sparato in particolari metalli per produrre sulla superficie del metallo una lamina sottile della lega desiderata. Il bombardamento del titanio con azoto permette di ottenere una lega utilissima per le protesi.
Da alcune leghe come la ghisa mediante affinazione (eliminazione completa o parziale di alcuni componenti della lega) se ne ottengono altre. Nel caso della ghisa abbassando la percentuale di carbonio si ottiene l’acciaio.