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  • La ceramica non deve essere fragile:gli scienziati dei materiali stanno creando materiali in base al design

    Questa sequenza mostra come la tridimensionalità del Greer Lab, i nanolattici ceramici possono recuperare dopo essere stati compressi di oltre il 50 percento. Senso orario, da sinistra a destra, un nanoreticolo di allumina prima della compressione, durante la compressione, completamente compresso, e recuperato dopo la compressione. Credito:Lucas Meza/Caltech

    Immagina un pallone che potrebbe galleggiare senza utilizzare alcun gas più leggero dell'aria. Anziché, potrebbe semplicemente avere tutta la sua aria aspirata mantenendo la sua forma piena. Un tale pallone a vuoto, che potrebbe aiutare ad alleviare l'attuale carenza mondiale di elio, può essere realizzato solo se esiste un nuovo materiale abbastanza resistente da sostenere la pressione generata espellendo tutta quell'aria pur essendo leggero e flessibile.

    La scienziata dei materiali del Caltech Julia Greer e i suoi colleghi sono sulla strada per lo sviluppo di un tale materiale e di molti altri che possiedono combinazioni di proprietà inaudite. Per esempio, potrebbero creare un materiale termicamente isolante ma anche estremamente leggero, o uno che è allo stesso tempo forte, leggero, e infrangibile:proprietà che generalmente si ritiene si escludano a vicenda.

    Il team di Greer ha sviluppato un metodo per costruire nuovi materiali strutturali sfruttando le proprietà insolite che i solidi possono avere su scala nanometrica, dove le caratteristiche sono misurate in miliardesimi di metri. In un articolo pubblicato nel numero del 12 settembre della rivista Scienza , i ricercatori del Caltech spiegano come hanno utilizzato il metodo per produrre una ceramica (ad es. un pezzo di gesso o un mattone) che contiene circa il 99,9 percento di aria ma è incredibilmente forte, e che può recuperare la sua forma originale dopo essere stata frantumata di oltre il 50 percento.

    "La ceramica è sempre stata ritenuta pesante e fragile, "dice Greer, un professore di scienza dei materiali e meccanica nella divisione di ingegneria e scienze applicate al Caltech. "Stiamo dimostrando che in effetti, non devono esserlo neanche loro. Questo dimostra molto chiaramente che se usi il concetto di nanoscala per creare strutture e poi usi quelle nanostrutture come LEGO per costruire materiali più grandi, puoi ottenere quasi tutti i set di proprietà che desideri. Puoi creare materiali in base al design."

    I ricercatori utilizzano un metodo di scrittura laser diretto chiamato litografia a due fotoni per "scrivere" un modello tridimensionale in un polimero consentendo a un raggio laser di reticolare e indurire il polimero ovunque sia focalizzato. Le parti del polimero che sono state esposte al laser rimangono intatte mentre il resto viene dissolto, rivelando un'impalcatura tridimensionale. Quella struttura può quindi essere rivestita con uno strato sottile di qualsiasi tipo di materiale:un metallo, una lega, un bicchiere, un semiconduttore, ecc. Quindi i ricercatori usano un altro metodo per incidere il polimero dall'interno della struttura, lasciando un'architettura vuota.

    Le applicazioni di questa tecnica sono praticamente illimitate, dice Greer. Poiché sui ponteggi si può depositare praticamente qualsiasi materiale, il metodo potrebbe essere particolarmente utile per applicazioni in ottica, efficienza energetica, e biomedicina. Per esempio, potrebbe essere utilizzato per riprodurre strutture complesse come ossa, producendo un'impalcatura di materiali biocompatibili su cui le cellule potrebbero proliferare.

    Nell'ultimo lavoro, Greer e i suoi studenti hanno utilizzato la tecnica per produrre quelli che chiamano nanolattici tridimensionali formati da un pattern ripetuto su nanoscala. Dopo la fase di modellazione, hanno rivestito l'impalcatura polimerica con una ceramica chiamata allumina (cioè, ossido di alluminio), producendo strutture in allumina a tubo cavo con pareti di spessore variabile da 5 a 60 nanometri e tubi da 450 a 1, 380 nanometri di diametro.

    Successivamente il team di Greer ha voluto testare le proprietà meccaniche dei vari nanolattici che hanno creato. Utilizzando due diversi dispositivi per colpire e sollecitare materiali su scala nanometrica, hanno schiacciato, allungato, e altrimenti cercava di deformare i campioni per vedere come reggevano.

    Hanno scoperto che le strutture di allumina con uno spessore della parete di 50 nanometri e un diametro del tubo di circa 1 micron si rompevano quando venivano compresse. Non era sorprendente dato che la ceramica, soprattutto quelli porosi, sono fragili. Però, la compressione di reticoli con un rapporto inferiore tra spessore della parete e diametro del tubo, dove lo spessore della parete era di soli 10 nanometri, ha prodotto un risultato molto diverso.

    "Lo deformi, e all'improvviso, torna indietro, " dice Greer. "In alcuni casi, siamo stati in grado di deformare questi campioni fino all'85%, e potrebbero ancora riprendersi".

    Per capire perché, considerare che i materiali più fragili come la ceramica, silicio, e il vetro si frantuma perché sono pieni di difetti, imperfezioni come piccoli vuoti e inclusioni. Più perfetto è il materiale, meno è probabile che tu trovi un punto debole in cui fallirà. Perciò, i ricercatori ipotizzano quando riduci queste strutture fino al punto in cui le singole pareti sono spesse solo 10 nanometri, sia il numero di difetti che la dimensione di eventuali difetti sono ridotti al minimo, rendendo l'intera struttura molto meno probabile che fallisca.

    "Uno dei vantaggi dell'utilizzo dei nanolattici è che si migliora significativamente la qualità del materiale perché si utilizzano dimensioni così piccole, " Dice Greer. " Fondamentalmente è il più vicino possibile a un materiale ideale, e ottieni l'ulteriore vantaggio di aver bisogno di una quantità molto piccola di materiale per realizzarli."

    Il laboratorio Greer sta ora perseguendo in modo aggressivo vari modi per aumentare la produzione di questi cosiddetti meta-materiali.


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