"La cosa più interessante di questi materiali è che funzionano a temperature superiori a 500 gradi Celsius, ” dice la studentessa laureata del MIT Jessica Swallow, nella foto con l'attrezzatura utilizzata per testare i nuovi materiali.
L'esecuzione di attività di manutenzione all'interno di una centrale nucleare mette a dura prova le apparecchiature, a causa di temperature estreme che sono difficili da sopportare per i componenti senza degradarsi. Ora, i ricercatori del MIT e altrove hanno escogitato un modo radicalmente nuovo per realizzare attuatori che potrebbero essere utilizzati in ambienti estremamente caldi.
Il sistema si basa su materiali di ossido simili a quelli utilizzati in molte delle batterie ricaricabili odierne, in quanto gli ioni entrano ed escono dal materiale durante i cicli di carica e scarica. Se gli ioni sono ioni di litio, nel caso di batterie agli ioni di litio, o ioni di ossigeno, nel caso dei materiali di ossido, il loro moto reversibile provoca l'espansione e la contrazione del materiale.
Tale espansione e contrazione può essere un problema importante che influisce sulla durata utile di una batteria o cella a combustibile, poiché le ripetute variazioni di volume possono causare la formazione di crepe, potenzialmente portando a cortocircuiti o prestazioni degradate. Ma per gli attuatori ad alta temperatura, questi cambiamenti di volume sono un risultato desiderato piuttosto che un effetto collaterale sgradito.
I risultati sono descritti in un rapporto apparso questa settimana sulla rivista Materiali della natura , di Jessica Rondine, uno studente laureato del MIT; Krystyn Van Vliet, Michael (1949) e Sonja Koerner Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali; Harry Tuller, professore di scienza e ingegneria dei materiali; e altri cinque.
"La cosa più interessante di questi materiali è che funzionano a temperature superiori a 500 gradi Celsius, " Spiega Swallow. Ciò suggerisce che i loro prevedibili movimenti di flessione potrebbero essere sfruttati, Per esempio, per la manutenzione robotica all'interno di un reattore nucleare, o attuatori all'interno di motori a reazione o di veicoli spaziali.
Accoppiando questi materiali ossido con altri materiali le cui dimensioni rimangono costanti, è possibile realizzare attuatori che si piegano quando l'ossido si espande o si contrae. Questa azione è simile al modo in cui funzionano le strisce bimetalliche nei termostati, dove il riscaldamento fa espandere un metallo più di un altro che è legato ad esso, portando la striscia incollata a piegarsi. Per questi test, i ricercatori hanno usato un composto chiamato PCO, per l'ossido di cerio drogato con praseodimio.
Materiali convenzionali utilizzati per creare movimento applicando elettricità, come dispositivi piezoelettrici, non funzionano altrettanto bene a temperature così alte, quindi il nuovo sistema potrebbe aprire una nuova area di sensori e attuatori ad alta temperatura. Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati, Per esempio, per aprire e chiudere le valvole in questi ambienti caldi, dicono i ricercatori.
Questo diagramma illustra come il materiale a film sottile si piega dal suo normale stato piatto (centro) quando l'ossigeno viene assorbito dalla sua struttura (destra) o rilasciato (sinistra). Questo comportamento consente di controllare a distanza la forma del film modificandone la carica elettrica. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Van Vliet afferma che la scoperta è stata resa possibile grazie a un'alta risoluzione, sistema di misurazione meccanico basato su sonda per condizioni di alta temperatura che lei e i suoi collaboratori hanno sviluppato nel corso degli anni. Il sistema fornisce "misure di precisione del movimento del materiale che qui si riferiscono direttamente ai livelli di ossigeno, " lei dice, consentendo ai ricercatori di misurare esattamente come l'ossigeno entra ed esce dall'ossido di metallo.
Per effettuare queste misurazioni, gli scienziati iniziano depositando un sottile strato di ossido metallico su un substrato, quindi utilizzare il sistema di rilevamento, che può misurare piccoli spostamenti su una scala di nanometri, o miliardesimi di metro. "Questi materiali sono speciali, " lei dice, "perché 'respirano' ossigeno dentro e fuori, e cambia volume, e questo fa piegare il substrato."
Mentre hanno dimostrato il processo utilizzando un particolare composto di ossido, i ricercatori affermano che i risultati potrebbero applicarsi ampiamente a una varietà di materiali di ossido, e anche ad altri tipi di ioni oltre all'ossigeno, entrando e uscendo dallo strato di ossido.
Questi risultati "sono altamente significativi, poiché dimostrano e spiegano l'espansione chimica dei film sottili ad alte temperature, "dice Holger Fritze, un professore al
Clausthal University of Technology in Germania, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Tali sistemi mostrano una grande sollecitazione rispetto ad altri materiali stabili alle alte temperature, consentendo così nuove applicazioni tra cui attuatori ad alta temperatura, " lui dice.
"L'approccio usato qui è molto nuovo, "dice Brian Sheldon, professore di ingegneria alla Brown University, anche lui non è stato coinvolto in questa ricerca. "Come hanno sottolineato gli autori, questo approccio può fornire informazioni diverse da quelle ottenute con altri metodi impiegati per studiare l'espansione chimica".
Questo lavoro ha due caratteristiche importanti, Sheldon dice:Fornisce importanti informazioni di base sull'espansione chimica di tali materiali, e apre la possibilità di nuovi tipi di attuatori ad alta temperatura. "Penso che entrambi siano risultati molto importanti, " lui dice.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
