Quando la maggior parte delle persone pensa alla ceramica, potrebbero immaginare la loro tazza preferita o un vaso di fiori. Ma la tecnologia moderna è piena di ceramiche avanzate, dai pannelli solari in silicio ai superconduttori in ceramica e agli impianti biomedici.

Molte di queste ceramiche policristalline avanzate sono combinazioni di grani cristallini che, a livello microscopico, assomigliano a un recinto di pietra tenuto insieme con malta calcarea. come quel recinto, la resistenza della ceramica è determinata dalla resistenza della malta, che in ceramica è il confine del grano, o le aree dove si incontrano i diversi grani.

In precedenza, la maggior parte dei ricercatori riteneva che la chimica di questi bordi di grano nella ceramica fosse molto stabile. Ma un nuovo studio condotto da ingegneri di scienza dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison mostra che non è così. Infatti, nell'importante materiale ceramico carburo di silicio, gli atomi di carbonio si raccolgono a quei bordi di grano quando il materiale è esposto a radiazioni. La scoperta potrebbe aiutare gli ingegneri a comprendere meglio le proprietà della ceramica e potrebbe aiutare a mettere a punto una nuova generazione di materiali ceramici.

I dettagli dello studio appaiono oggi sulla rivista Materiali della natura .

Dagli anni '70, i ricercatori sono a conoscenza di una simile segregazione indotta dalle radiazioni nelle leghe metalliche. Poiché gli atomi di metallo condividono liberamente gli elettroni, sono in grado di mescolare e smantellare facilmente. Quando sono bombardati da radiazioni ioniche, alcuni degli atomi nei metalli salteranno fuori posto e si sposteranno verso i bordi dei grani, e se diversi tipi di atomi si muovono a velocità diverse, la chimica della lega può essere alterata.

Gli atomi in ceramica sono molto selettivi su quali vicini si legano con e i legami sono molto più forti che nei metalli. Ecco perché i ricercatori credevano che questi atomi non fossero soggetti allo stesso tipo di segregazione. Ma quando Izabela Szlufarska, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UW-Madison, ha iniziato a osservare da vicino i bordi dei grani del carburo di silicio, non è quello che ha trovato.

"Nel carburo di silicio, il silicio e il carbonio vogliono davvero essere accoppiati insieme; vogliono essere il 50% di carbonio e il 50% di silicio, " lei dice.

Però, quando il suo team ha eseguito simulazioni e ha anche ripreso i bordi dei grani, la concentrazione di carbonio era solo del 45 percento ai confini. "La chimica era davvero spenta, "dice. "Quella è stata la prima sorpresa, poiché questo materiale vuole davvero avere atomi ordinati."

Ciò ha suggerito che il carburo di silicio potrebbe anche essere suscettibile alla segregazione indotta dalle radiazioni. Quindi Szlufarska e il suo team hanno bombardato la sostanza con radiazioni ioniche, trovando che tra 300 gradi Celsius e 600 gradi Celsius, i bordi dei grani hanno subito un arricchimento di carbonio.

A quei livelli di energia, la radiazione fa saltare fuori posto alcuni atomi di carbonio, creando una coppia di difetti nel carburo di silicio compreso un punto vuoto chiamato posto vacante e un atomo di carbonio sciolto chiamato interstiziale. Quegli atomi interstiziali non attaccati migrano ai bordi dei grani dove si accumulano, influenzare la chimica del materiale.

Oltre al fatto che i ricercatori semplicemente non credevano che questo tipo di segregazione potesse avvenire nella ceramica, Szlufarska dice che, fino a poco tempo fa, mancavano anche gli strumenti anche solo per indagare sul fenomeno. Dopo la faticosa fabbricazione e preparazione dei bi-cristalli di carburo di silicio, La microscopia elettronica a trasmissione a scansione all'avanguardia condotta presso l'UW-Madison e l'Oak Ridge National Laboratory ha permesso al team di risolvere la composizione chimica lungo i bordi dei grani.

Il team ritiene che il fenomeno possa verificarsi anche in altre ceramiche policristalline. Il processo è un'arma a doppio taglio:da un lato, la segregazione indotta dalle radiazioni significa che le ceramiche sono soggette agli stessi tipi di danneggiamento e deterioramento ai bordi dei grani delle leghe metalliche, anche se a temperature diverse. D'altra parte, la segregazione potrebbe essere utile nell'ingegneria dei materiali per produrre versioni specializzate di ceramiche come il carburo di silicio, che viene utilizzato nell'energia nucleare, motori a reazione e altre applicazioni high-tech.

"Forse la radiazione può essere usata come uno strumento per mettere a punto la chimica dei bordi dei grani, "dice Xing Wang, co-autore dello studio e professore alla Pennsylvania State University che ha lavorato alla ricerca mentre conseguiva il dottorato alla UW-Madison. "Ci potrebbe essere utile in futuro".