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Ceramiche che non si frantumano
Le ceramiche sono leggere e dure, ma non puoi farne motori a reazione perché si frantumerebbero come piatti di una cena. Quindi, gli scienziati dei materiali hanno cercato di imitare i materiali naturali che combinano la forza (una misura della resistenza alla deformazione) con la tenacità (una misura della resistenza alla frattura). In particolare, hanno esaminato il materiale poroso ma resistente chiamato madreperla che riveste i gusci di abalone. Ora i ricercatori hanno sviluppato un metodo per la produzione di materiali simili alla madreperla in laboratorio. Questi nuovi materiali hanno proprietà meccaniche simili alle leghe metalliche e sono le ceramiche più resistenti mai realizzate. Il nuovo metodo potrebbe aprire la strada a materiali strutturali in ceramica per edifici ad alta efficienza energetica e telai per automobili leggeri ma resistenti.
Biomimetica alla rinfusa: I ricercatori di Berkeley hanno realizzato grandi pezzi di ceramica resistente, mentre altri scienziati che imitano materiali naturali resistenti sono stati in grado di realizzare solo film sottili. La struttura di una ceramica dura imita quella dei gusci di abalone. Questa immagine al microscopio elettronico a scansione (in basso), presa durante uno stress test, mostra una fonte della tenacità del materiale: il danno è ampiamente distribuito in piccole crepe contenute.
La madreperla, nota anche come madreperla, combina lastre di carbonato di calcio forte ma fragile con una colla proteica morbida in una struttura in mattoni e malta che è 3000 volte più dura di entrambi i componenti. Normalmente, quando gli scienziati realizzano compositi in laboratorio, le proprietà dei materiali risultanti fanno la media di quelle dei loro costituenti. Quando la natura fa i compositi, le proprietà sono migliori, dice Robert Ritchie , presidente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Università della California, Berkeley, che ha co-diretto la ricerca sulla ceramica. Questo perché i compositi naturali hanno strutture complesse difficili da imitare. Le persone ci hanno provato, ma non riescono a ottenere quella finezza di struttura, dice Ritchie.
Per anni, gli scienziati hanno cercato di progettare nuovi materiali basati su materiali naturali resistenti come la madreperla e l'osso. La ceramica di Berkeley mostra davvero che trarre la nostra ispirazione dalla natura per sintetizzare materiali migliori può avere molto successo, afferma Julia Greer , scienziato dei materiali al CalTech.
Per modellare le loro ceramiche in strutture simili alla madreperla, i ricercatori di Berkeley creano prima una sospensione acquosa del materiale da modellare, in questo caso l'ossido di alluminio. Quindi lo raffreddano in modo molto controllato. Togli il calore da un lato, spiega Ritchie. Ciò porta a strutture lunghe e sottili che i ricercatori premono in strutture su microscala simili a mattoni dopo averle riscaldate per far evaporare l'acqua. Quando questo processo viene ripetuto, crea una struttura a strati e porosa di mattoni di ossido di alluminio collegati tra loro da strutture simili a colonne, le stesse forme che si trovano nella madreperla naturale. Quindi, per imitare la colla proteica nel guscio di abalone, i ricercatori riempiono gli spazi con un polimero. Questo processo è descritto online nella rivista Scienza questa settimana. Altri gruppi hanno realizzato film sottili di materiali biomimetici; il gruppo di Berkeley è riuscito a fare grandi pezzi.
Non ammortizzati dal polimero, i mattoni sarebbero fragili come la maggior parte delle ceramiche. Ma il polimero consente agli strati simili a mattoni di scivolare l'uno sull'altro quando sollecitati, rendendo il materiale resistente alle fratture. In effetti, questa struttura in mattoni e malta è più resistente di qualsiasi ceramica mai realizzata in laboratorio. L'elevata tenacità e l'elevata resistenza sono generalmente incompatibili in una ceramica, afferma Eric Stach , un ingegnere dei materiali alla Purdue University che non era coinvolto nel lavoro di Berkeley. Ma le ceramiche create a Berkeley hanno la stessa forza e robustezza delle leghe di alluminio, con cui puoi far volare gli aerei, afferma Stach.
Sebbene avvertano che le ceramiche simili alla madreperla sono nelle loro prime fasi di sviluppo, i ricercatori di Berkeley affermano che i materiali dovrebbero rendere possibili applicazioni di ceramiche che sembravano irraggiungibili. Potresti usare la ceramica per realizzare il telaio di un'auto invece dell'acciaio e risparmiare carburante, afferma Ritchie. Antoni Tomsia, uno scienziato dei materiali presso il Lawrence Berkeley Laboratory che ha co-diretto la ricerca, afferma che le ceramiche resistenti, che sono buoni isolanti, potrebbero svolgere il doppio compito come elementi strutturali negli edifici ad alta efficienza energetica. E potrebbero anche essere usati in giubbotti antiproiettile leggeri e armature per veicoli per i militari.
Il nuovo lavoro, affermano gli scienziati dei materiali, mostra la via da seguire per i materiali biomimetici resistenti. Paul Hansma , professore di fisica all'Università della California a Santa Barbara, definisce il lavoro sorprendente e afferma che le prestazioni della nuova ceramica alzano l'asticella in questo importante campo.
Ritchie e Tomsia sono fiduciosi di poter migliorare ulteriormente il materiale. La madreperla naturale ha strutture ceramiche di un ordine di grandezza inferiori a quelle del materiale Berkeley, nonché un rapporto più elevato tra mattoni e malta. Ritchie afferma che il gruppo sta lavorando per rendere i mattoni di ceramica più piccoli e ravvicinati e diminuire il contenuto di polimero. Stanno anche sperimentando diversi mortai. Poiché la ceramica di nuova concezione contiene un polimero colloso, si guasterà in ambienti ad alta temperatura come l'interno di un motore. Quindi i ricercatori di Berkeley stanno sperimentando cariche metalliche, che possono resistere a temperature più elevate.