I ricercatori hanno sviluppato un materiale spugnoso realizzato con nanofibre ceramiche. Il materiale mantiene la resistenza al calore che rende la ceramica utile in ambienti ad alta temperatura, ma è anche altamente deformabile, qualcosa che la maggior parte dei materiali ceramici non è. Credito:Gao/Li/Wu/Brown University/Tsigua University
I ricercatori hanno trovato un modo per realizzare materiali ultraleggeri simili a spugne da fibre ceramiche su nanoscala. L'altamente poroso, le spugne comprimibili e resistenti al calore potrebbero avere numerosi usi, dai dispositivi di purificazione dell'acqua ai materiali isolanti flessibili.
"La domanda scientifica di base a cui abbiamo cercato di rispondere è come possiamo realizzare un materiale altamente deformabile ma resistente alle alte temperature, " disse Huajian Gao, un professore nella School of Engineering della Brown University e un corrispondente autore della ricerca. "Questo documento dimostra che possiamo farlo aggrovigliando le nanofibre di ceramica in una spugna, e il metodo che usiamo per farlo è economico e scalabile per realizzarli in grandi quantità."
Il lavoro, una collaborazione tra il laboratorio di Gao alla Brown e i laboratori di Hui Wu e Xiaoyan Li alla Tsinghua University in Cina, è descritto nel giornale Progressi scientifici .
Come sa bene chiunque abbia mai lasciato cadere un vaso di fiori, le ceramiche sono materiali fragili. Le crepe nella ceramica tendono a propagarsi rapidamente, portando a guasti catastrofici anche con la minima deformazione. Mentre questo è vero per tutte le ceramiche tradizionali, le cose sono diverse su scala nanometrica.
"Su scala nanometrica, crepe e difetti diventano così piccoli che ci vuole molta più energia per attivarli e farli propagare, " Gao ha detto. "Le fibre su nanoscala promuovono anche meccanismi di deformazione come quello che è noto come creep, dove gli atomi possono diffondersi lungo i bordi dei grani, permettendo al materiale di deformarsi senza rompersi."
A causa di queste dinamiche su scala nanometrica, i materiali realizzati con nanofibre ceramiche hanno il potenziale per essere deformabili e flessibili, pur mantenendo la resistenza al calore che rende la ceramica utile nelle applicazioni ad alta temperatura. Il problema è che tali materiali non sono facili da realizzare. Un metodo spesso usato per produrre nanofibre, noto come elettrofilatura, non funziona bene con la ceramica. Un'altra possibile opzione, stampa laser 3D, è costoso e richiede tempo.
Quindi i ricercatori hanno usato un metodo chiamato soluzione di filatura, che era stato sviluppato in precedenza da Wu nel suo laboratorio a Tsinghua. Il processo utilizza la pressione dell'aria per guidare una soluzione liquida contenente materiale ceramico attraverso una minuscola apertura della siringa. Quando il liquido fuoriesce, si solidifica rapidamente in fibre su scala nanometrica che vengono raccolte in una gabbia rotante. Il materiale raccolto viene poi riscaldato, che brucia il materiale solvente lasciando una massa di nanofibre ceramiche aggrovigliate che assomiglia un po' a un batuffolo di cotone.
I ricercatori hanno utilizzato il metodo per creare spugne realizzate con una varietà di diversi tipi di ceramica e hanno dimostrato che i materiali avevano alcune proprietà notevoli.
Per esempio, le spugne sono state in grado di rimbalzare dopo sforzi di compressione fino al 50 percento, qualcosa che nessun materiale ceramico standard può fare. E le spugne possono mantenere quella resilienza a temperature fino a 800 gradi Celsius.
La ricerca ha anche mostrato che le spugne avevano una notevole capacità di isolamento ad alta temperatura. In un esperimento, i ricercatori hanno posizionato un petalo di fiore sopra una spugna spessa 7 millimetri realizzata con nanofibre di biossido di titanio (un comune materiale ceramico). Dopo aver riscaldato il fondo della spugna a 400 gradi Celsius per 10 minuti, il fiore in cima appassisce appena. Nel frattempo, petali posti su altri tipi di materiali ceramici porosi nelle stesse condizioni sono stati bruciati fino a diventare croccanti.
un poroso, materiale spugnoso deformabile realizzato con nanofibre ceramiche ha una notevole resistenza al calore. Qui, i petali dei fiori vengono riscaldati in cima a dischi di 7 millimetri di spessore di vari materiali. Dopo aver riscaldato i materiali dal basso a 400 gradi C, il petalo sopra la spugna di ceramica è appena appassito, mentre gli altri vengono bruciati fino a diventare croccanti. Credito:Gao/Li/Wu/Brown University/Tsigua University
La resistenza al calore delle spugne e la loro deformabilità le rendono potenzialmente utili come materiale isolante dove la flessibilità è importante. Per esempio, Gao dice, il materiale potrebbe essere utilizzato come strato isolante negli indumenti dei vigili del fuoco.
Un altro potenziale utilizzo potrebbe essere nella purificazione dell'acqua. Il biossido di titanio è un noto fotocatalizzatore utilizzato per scomporre le molecole organiche, che uccide i batteri e altri microrganismi nell'acqua. I ricercatori hanno dimostrato che una spugna di biossido di titanio potrebbe assorbire 50 volte il suo peso in acqua contenente un colorante organico. Entro 15 minuti, la spugna è stata in grado di degradare il colorante sotto l'illuminazione. Con l'acqua strizzata, la spugna potrebbe quindi essere riutilizzata, cosa che non si può fare con le polveri di biossido di titanio normalmente utilizzate nella purificazione dell'acqua.
Oltre a questi, potrebbero esserci altre applicazioni per le spugne di ceramica che i ricercatori non hanno ancora considerato.
"Il processo che abbiamo utilizzato per realizzarli è estremamente versatile; può essere utilizzato con una grande varietà di diversi tipi di materiali di partenza ceramici, " disse Wu, uno degli autori corrispondenti di Tsinghua. "Quindi pensiamo che ci siano enormi prospettive per potenziali applicazioni".
