Un sottile guscio di polimero morbido può aiutare a mantenere le strutture in ceramica nodose dalla frantumazione, secondo gli scienziati dei materiali della Rice University.

Le ceramiche realizzate con stampanti 3D si rompono sotto stress come qualsiasi piatto o ciotola. Ma ricoperto da un morbido polimero polimerizzato alla luce ultravioletta, gli stessi materiali hanno maggiori possibilità di mantenere la loro integrità strutturale, proprio come il vetro trattato del parabrezza di un'auto ha meno probabilità di frantumarsi.

La ricerca alla Brown School of Engineering di Rice, che appare in Progressi scientifici , dimostra il concetto su schwarzites, reticoli complessi che per decenni sono esistiti solo come teoria ma ora possono essere realizzati con stampanti 3D. Con polimeri aggiunti, arrivano ad assomigliare a strutture trovate in natura come conchiglie e ossa che consistono di piastrine indurite in una matrice di biopolimero.

schwarziti, chiamato per lo scienziato tedesco Hermann Schwarz, che ipotizzò negli anni '80 dell'Ottocento che le strutture "curve negativamente" potessero essere utilizzate ovunque fossero necessari materiali molto resistenti ma leggeri, dalle batterie alle ossa agli edifici.

I ricercatori guidati dagli scienziati dei materiali della Rice Pulickel Ajayan e Muhammad Rahman e dallo studente laureato e autore principale Seyed Mohammad Sajadi hanno dimostrato attraverso esperimenti e simulazioni che un rivestimento di polimero non più spesso di 100 micron renderà le schwarziti fragili fino a 4,5 volte più resistenti alle fratture catastrofiche .

Le strutture possono ancora rompersi sotto pressione, ma non cadranno a pezzi.

"Abbiamo visto chiaramente che le strutture non rivestite sono molto fragili, " ha detto Rahman, un ricercatore alla Rice. "Ma quando mettiamo le strutture rivestite in compressione, prenderanno il carico fino a quando non si rompono completamente. E interessante, anche allora non si rompono completamente in pezzi. Rimangono chiusi come il vetro laminato."

Il gruppo, con membri in Ungheria, Canada e India, ha creato modelli al computer delle strutture e li ha stampati con un "inchiostro" ceramico infuso di polimeri. La ceramica è stata polimerizzata al volo da luci ultraviolette nella stampante, e poi immerso nel polimero e nuovamente indurito.

Insieme alle unità di controllo non rivestite, gli intricati blocchi sono stati poi sottoposti ad alta pressione. Gli schwarziti di controllo si sono frantumati come previsto, ma il rivestimento polimerico ha impedito la propagazione delle crepe negli altri, permettendo alle strutture di mantenere la loro forma.

I ricercatori hanno anche confrontato le schwarziti con ceramiche solide rivestite e hanno scoperto che le strutture porose erano intrinsecamente più resistenti.

"L'architettura ha sicuramente un ruolo, " Ha detto Sajadi. "Abbiamo visto che se rivestiamo una struttura solida, l'effetto del polimero non era efficace come con la schwarzite."

Ajayan ha detto che i rivestimenti si comportano un po' come i materiali naturali che imitano, poiché il polimero infonde difetti nella ceramica e ne aumenta la resistenza.

Rahman ha affermato che diverse applicazioni strutturali potrebbero trarre vantaggio dalla ceramica potenziata con polimeri. La loro biocompatibilità potrebbe anche renderli idonei per le protesi.

"Sono abbastanza sicuro che se possiamo ottimizzare queste strutture topologicamente, mostrano anche buone promesse per l'uso come bioscaffold, " ha detto Rahman.