Ceramica flessibile come metallo: creata per la prima volta al mondo
Dei ricercatori cinesi hanno creato una ceramica flessibile come il metallo per la prima volta al mondo. Di per sé potrebbe non sembrare nulla, ma non è così. Le ceramiche a legami covalenti presentano proprietà preminenti, tra cui durezza, forza, inerzia chimica e resistenza al calore e alla corrosione. Ma una loro applicazione ad ampio raggio è difficile a causa della loro fragilità a temperatura ambiente. Gli atomi nelle ceramiche a legami covalenti richiedono la rottura del legame stesso per via delle caratteristiche direzionali e delle forze. Questo in contrasto con i metalli, i cui atomi possono slittare lungo piani di scorrimento per adattarsi alle deformazioni. Tali difetti delle ceramiche portano a un fallimento catastrofico in fase di carico. Alla Tsinghua University, hanno realizzato una ceramica di nitruro di silicio (Si3N4) deformabile a legame covalente con struttura a doppia fase a interfacce coerenti. Vediamo insieme cosa significa.
Il tipo si sotanza e la tecnica ultilizzata per produrre la ceramica flessibile
Il nitruro di silicio Si3N4 è il composto chimico più stabile termodinamicamente della famiglia dei nitruri. Cosa che lo rende utilizzabile in applicazioni ad alta temperatura. Di norma, in tale sostanza i meccanismi di rottura del legame avviano la deformazione plastica a livello locale. Sfortunatamente, questo processo induce la nucleazione, la crescita e la coalescenza di nanopori, eventualmente portando a frattura fragile (brusca rottura del materiale).
A livello macroscopico, successivi spostamenti atomici multipli cumulativi causano la deformazione plastica in risposta a sforzi applicati. Nelle leghe con legami metallici, è lo spostamento degli atomi che produce deformabilità plastica. Essi procedono scambiando uno o pochi legami interatomici alla volta lungo i piani reticolari.
Per ottenere deformabilità plastica e minimizzare gli effetti della rottura dei legami gli scienziati hanno optato per una struttura bifase con un’interfaccia coerente. In particolare gli scienziati hanno utilizzato il composto realizzando delle nano-colonne con due diverse formazioni cristalline. Applicando una sollecitazione esterna alla struttura cristallina del materiale, sono riusciti a cambiare la sua forma. Nel tornare alla sua conformazione iniziale riesce ad esprimere caratteristiche di deformabilità plastica, piegandosi.
Possibili applicazioni della nuova ceramica flessibile
Uno scienziato della Tsinghua, afferma che è la prima volta che qualcuno realizza un nuova ceramica flessibile forte e leggera allo stesso tempo. Professore inoltre presso il dipartimento di ingegneria e scienze dei materiali della National Natural Science Foundation of China aggiunge:
Questa ceramica può portare rivoluzioni tecnologiche in molti settori. Da quando ho iniziato la mia carriera, 30 anni fa, ricercatori hanno condotto ricerche sulla plasticità della ceramica in tutto il mondo. Si può dire che oggi abbiamo finalmente raggiunto una svolta su questo tema.
Chen Kexin
Adatte per il settore industriale
E anche secondo altri esperti del settore non ha tutti i torti. Infatti la sostanza può risultare particolarmente vantaggiosa per la creazione di motori aeronautici. Come accennato all’inizio i materiali ceramici sono durevoli, leggeri e resistenti al calore. Grazie a tali caratteristiche i motori fatti con ceramica flessibile potrebbero funzionare a temperature significativamente maggiori. Ovviamente ciò potrebbe garantire un’efficienza del carburante di gran lunga migliore rispetto ai tipici motori in lega. Data la leggerezza poi, il motore in ceramica risulterebbe più veloce con sforzo minor sugli altri componenti.
Così come quello aeronautico anche il mondo automobilistico potrebbe realizzare motori con la stessa ceramica flessibile. A Trarne beneficio l’inquinamento ambientale e le prestazioni dei veicoli. Si perché, un motore in ceramica avrebbe un serbatoio di raffreddamento più piccolo per la maggiore resistenza al calore dei materiali ceramici. A sua volta ciò assicura più spinta al veicolo e perciò maggiore potenza.
Anche in campo rinnovabili si potrebbe utilizzare la ceramica flessibile per avere vantaggi significativi in termini di costi. In particolare le turbine eoliche hanno dei cuscinetti che collegano il generatore alle pale del ventilatore. Una volta fatti in ceramica flessibile, questi componenti potrebbero durare più a lungo potendo sostenere diverse tonnellate di pressione durante l’uso.
Un aiuto alle soluzioni biomedicali
La maggior parte delle protesi in metallo devono essere sostituite ogni dieci anni, il che è costoso e doloroso. Le ceramiche in nitruro di silicio invece possono sostituire il metallo nelle articolazioni artificiali perché sono biocompatibili, leggere e resistenti ai batteri. E potenzialmente possono durare tutta la vita dopo l’impianto, a quanto spiega Chen.