Film sottili (a sinistra) e spessi fatti di nanoparticelle porose di calcio e silicato hanno reagito in modo diverso sotto pressione come testato in un laboratorio della Rice University. Le particelle nei film sottili si sono spostate per un nanoindentatore e hanno permesso al film di rimanere intatto, mentre le pellicole spesse si incrinavano. Credito:Laboratorio di materiali multiscala/Università del riso
Le particelle porose di calcio e silicato mostrano il potenziale come elementi costitutivi per una serie di applicazioni come materiali autorigeneranti, ingegneria del tessuto osseo, consegna farmaci, isolamento, ceramiche e materiali da costruzione, secondo gli ingegneri della Rice University che hanno deciso di vedere come si comportano su scala nanometrica.
A seguito di precedenti lavori sui materiali autorigeneranti utilizzando blocchi porosi, Lo scienziato dei materiali di riso Rouzbeh Shahsavari e lo studente laureato Sung Hoon Hwang hanno realizzato un'ampia gamma di particelle porose tra 150 e 550 nanometri di diametro, migliaia di volte più piccole dello spessore di un foglio di carta, con pori della larghezza di un filamento di DNA.
Hanno quindi assemblato le particelle in fogli e pellet di dimensioni micron per vedere quanto bene gli array resistono alla pressione di un nanoindentatore, che verifica la durezza di un materiale.
I risultati di oltre 900 test, riportato questo mese nell'American Chemical Society's Materiali e interfacce applicati ACS , hanno mostrato che le singole nanoparticelle più grandi erano il 120 percento più resistenti di quelle più piccole.
Questo, Shahsavari ha detto, era una chiara prova di un effetto dimensionale intrinseco in cui le particelle tra 300 e 500 nanometri passavano da fragili a duttili, o flessibile, anche se avevano tutti gli stessi piccoli pori da 2 a 4 nanometri. Ma furono sorpresi di scoprire che quando le stesse grandi particelle venivano impilate, l'effetto delle dimensioni non si è trasferito interamente alle strutture più grandi.
Gli scienziati dei materiali della Rice University hanno testato strutture fatte di nanoparticelle di silicato di calcio e hanno scoperto che le particelle passano da fragili a duttili man mano che aumentano di dimensioni. La singola particella compressa a sinistra si è deformata sotto la pressione di un nanoindentatore. Al centro e a destra, le particelle di grandi dimensioni non si sono spezzate sotto pressione. Credito:Laboratorio di materiali multiscala/Università del riso
I principi rivelati dovrebbero essere importanti per gli scienziati e gli ingegneri che studiano le nanoparticelle come elementi costitutivi in tutti i tipi di fabbricazione dal basso verso l'alto.
"Con blocchi porosi, controllare il legame tra porosità, la dimensione delle particelle e le proprietà meccaniche è essenziale per l'integrità del sistema per qualsiasi applicazione, " Shahsavari ha detto. "In questo lavoro, abbiamo scoperto che c'è una transizione da fragile a duttile quando si aumenta la dimensione delle particelle mantenendo costante la dimensione dei pori.
"Ciò significa che le particelle di silicato di calcio submicronico più grandi sono più resistenti e più flessibili rispetto a quelle più piccole, rendendoli più tolleranti ai danni, " Egli ha detto.
Il laboratorio ha testato array autoassemblati delle minuscole sfere e array compattati sotto l'equivalente di 5 tonnellate all'interno di una pressa cilindrica.
Gli scienziati dei materiali della Rice University hanno sintetizzato elementi sferici, nanoparticelle porose di calcio e silicato, film e pellet formati e testato la loro tenacità sotto pressione da un nanoindentatore. Hanno scoperto che le pellicole fatte di particelle più grandi che si avvicinano ai 500 nanometri erano molto più resistenti e le pellicole e i pellet erano meno inclini a rompersi sotto pressione. A destra, piccole particelle si deformano dopo la nanoindentazione. Credito:Laboratorio di materiali multiscala/Università del riso
Quattro dimensioni di sfere sono state autorizzate ad autoassemblarsi in pellicole. Quando questi erano soggetti a nanoindentazione, i ricercatori hanno scoperto che l'effetto delle dimensioni intrinseche è in gran parte scomparso poiché i film hanno mostrato una rigidità variabile. Dove era sottile, le particelle debolmente legate hanno semplicemente lasciato il posto al penetratore per affondare nel substrato di vetro. Dove era spesso, il film si è rotto.
"Abbiamo osservato che la rigidità aumenta in funzione delle forze di indentazione applicate perché all'aumentare della forza massima, porta ad un maggior addensamento delle particelle sotto carico, " Shahsavari ha detto. "Quando viene raggiunto il carico di picco, le particelle sono abbastanza densamente impacchettate e iniziano a comportarsi collettivamente come un singolo film".
I pellet costituiti da nanosfere compattate di vari diametri si sono deformati sotto la pressione del nanoindentatore ma non hanno mostrato segni di indurimento sotto pressione, hanno riferito.
"Come passo successivo, siamo interessati a fabbricare sovrastrutture autoassemblate con granulometria regolabile che consentano meglio le funzionalità previste, come carico e scarico con sigillanti sensibili agli stimoli, pur offrendo la migliore integrità meccanica, "Ha detto Shahsavari.
