Il titanato di bario è un importante materiale elettroceramico utilizzato in trilioni di condensatori ogni anno e presente nella maggior parte dei dispositivi elettronici. I ricercatori della Penn State hanno prodotto il materiale a temperature record, e la scoperta potrebbe portare a una produzione più efficiente dal punto di vista energetico.

Un team di scienziati della Penn State ha utilizzato il processo di sinterizzazione a freddo per densificare la ceramica di titanato di bario a meno di 572 gradi Fahrenheit (300 gradi Celsius), le temperature di lavorazione più basse mai utilizzate, pur mantenendo la qualità raggiunta a temperature più elevate nella moderna produzione commerciale, hanno detto i ricercatori.

"Il nostro lavoro è il primo esempio che mostra che possiamo densificare gli ossidi ferroelettrici in un unico passaggio, " disse Kosuke Tsuji, un dottorando presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn State e autore principale dello studio. "Dovrebbe aprire la possibilità di densificare molti più materiali inorganici a basse temperature".

È la prima volta che i ricercatori hanno densificato il titanato di bario in un unico passaggio utilizzando la sinterizzazione a freddo. I precedenti tentativi richiedevano un riscaldamento secondario per produrre materiali con proprietà dielettriche utili, hanno detto gli scienziati, che hanno riportato i loro risultati nel Journal of the European Ceramic Society.

La sinterizzazione è un processo comunemente usato per comprimere polveri fini in una massa solida di materiale utilizzando calore e pressione. Il processo di sinterizzazione a freddo, sviluppato dagli scienziati della Penn State, realizza ciò a temperature molto più basse e in tempi più brevi rispetto alla sinterizzazione convenzionale. La tecnologia emergente ha il potenziale per ridurre i costi e l'impatto ambientale della produzione di un'ampia gamma di materiali, secondo i ricercatori.

I ricercatori hanno utilizzato nuove sostanze chimiche per densificare il titanato di bario in un unico passaggio. La sinterizzazione a freddo comporta l'aggiunta di alcune gocce di liquido alla polvere di ceramica. Reazioni tra umidità, il calore e la pressione creano materiali più densi rispetto al riscaldamento a temperature più elevate senza liquido.

La precedente ricerca sulla sinterizzazione a freddo utilizzava soluzioni neutre o acide, ma il nuovo studio ha incorporato l'idrossido, un materiale alcalino. L'idrossido ha contribuito a produrre titanato di bario con le necessarie proprietà dielettriche a temperature più basse, hanno detto gli scienziati.

Il titanato di bario è il composto di base utilizzato per produrre materiali dielettrici ad alta permettività nei condensatori multistrato. Degli oltre 3 trilioni di condensatori ceramici prodotti ogni anno, circa il 90% contiene titanato di bario.

"Questi dispositivi sono alla base del moderno mondo elettronico, "disse Randall, che è anche direttore del Materials Research Institute di Penn State. "Le implicazioni dell'applicazione di questa tecnologia al titanato di bario sono enormi. Solo nel tuo cellulare, potresti avere 1, 000 componenti tutti realizzati in titanato di bario. È onnipresente in tutta l'elettronica."

L'abbassamento delle temperature utilizzate nella produzione commerciale non solo sarebbe più efficiente dal punto di vista energetico, ma potrebbe aprire la porta all'utilizzo di metalli meno costosi e all'incorporazione di compositi polimerici in questi condensatori, secondo i ricercatori.

"Questo è molto interessante per molte delle principali aziende produttrici di condensatori, che stanno tutti lavorando con questi ricercatori attraverso il Center for Dielectrics and Piezoelectrics (CDP) di Penn State, " ha detto Randall.