I ricercatori della Skoltech e della Tomsk Polytechnic University hanno utilizzato una tecnica insolita dell'industria aerospaziale per sintetizzare il carburo di afnio-tantalio, un materiale difficile da sciogliere per il rivestimento di componenti elettrici e meccanici che operano in condizioni estreme. Economico ed efficace, il loro metodo dinamico al plasma può produrre carburo di alta qualità sia come polvere che come rivestimento su diversi substrati. I risultati della ricerca sono riportati in Materiali funzionali avanzati .

I carburi di metallo di transizione sono materiali importanti dal punto di vista industriale con temperature di fusione ultraelevate, durezza impressionante e resistenza all'usura. Tra questi, i carburi di afnio e tantalio possono resistere alle temperature più elevate, vicine a 4.000 gradi Celsius, senza sciogliersi. È interessante notare che alcuni dei carburi misti di questi due metalli promettono un punto di fusione ancora più alto, rendendo i carburi di afnio-tantalio potenzialmente utili per hardware ed elettronica che operano in condizioni estreme. Oltre a ciò, potrebbero rivelarsi applicabili come catalizzatori per la produzione di idrogeno dall'acqua.

Gli approcci convenzionali alla sintesi di materiali con punti di fusione elevati, tra cui i carburi di metalli di transizione, si basano su metodi di sinterizzazione peculiari, pressatura isostatica e altre tecniche che richiedono alto vuoto o pressioni estreme. Tali condizioni sono tecnologicamente impegnative e, per di più, i materiali di partenza devono essere macinati in polveri molto fini, quindi questi metodi sono costosi e dispendiosi in termini di risorse. Ora, i fisici Skoltech e TPU e il loro collega dell'Università Pirogov hanno utilizzato una tecnica efficace e più economica chiamata sintesi dinamica del plasma per ottenere composti di alta qualità di afnio, tantalio e carbonio sia sotto forma di polveri che come rivestimenti che possono essere depositato su diversi substrati.

La tecnica prevede flussi di plasma pulsati accelerati e risale alla tecnologia aerospaziale dalla metà degli anni '60. È stato originariamente sviluppato con l'obiettivo di sfruttare i flussi ipersonici generati nei cannoni al plasma e nei motori spaziali. Alla fine, furono proposti diversi progetti di acceleratori al plasma e all'inizio del secolo l'ambito delle loro applicazioni si espanse per includere la sintesi di vari materiali funzionali.

Il recente studio sui Materiali funzionali avanzati riporta l'adattamento di una di queste tecnologie, la sintesi dinamica al plasma, alla produzione di carburo di afnio-tantalio.

"Utilizziamo una configurazione sperimentale unica sviluppata in TPU, chiamata acceleratore di plasma magnetico coassiale. Per prima cosa collochiamo i materiali di origine - carbone in polvere e ossidi di afnio e tantalio - nell'acceleratore e pompiamo molta energia nei condensatori di accumulo. i condensatori si scaricano, questo dà origine a un arco elettrico che trasforma istantaneamente i materiali della sorgente in un flusso di plasma che colpisce la parete del reattore a 5 chilometri al secondo. Quindi basta strofinare via il materiale finale ed eccolo lì", ha detto il coautore dello studio Professore Associato Dmitry Nikitin di TPU ha raccontato.

L'autore principale dello studio, il professore assistente Alexander Kvashnin di Skoltech, ha commentato:"Abbiamo utilizzato metodi computazionali moderni per fare previsioni precise di nuovi composti con proprietà desiderabili e abbiamo combinato questi metodi con tecniche sperimentali insolite per questo tipo di composti, arrivando a una sintesi economica e selettiva di quei nuovi composti e materiali funzionali basati su di essi."

Il team ha previsto 10 fasi del carburo di afnio-tantalio che differiscono nella proporzione relativa dei due metalli nel materiale risultante e le ha sintetizzate tutte utilizzando l'esclusiva configurazione sperimentale. "Questo dimostra che, a differenza degli altri metodi, il nostro consente di controllare la composizione del prodotto con elevata selettività e precisione", ha affermato Kvashnin.

Oltre ad essere meno impegnativo per i materiali di origine e le condizioni del reattore, il metodo di sintesi dinamica del plasma del team funge anche da tecnica per depositare rivestimenti di carburo di afnio-tantalio su superfici arbitrarie. "Alcuni dei 10 composti previsti in questo studio non sono stati solo sintetizzati come polveri, ma anche depositati come rivestimenti su un pezzo di rame", ha aggiunto Kvashnin.

Secondo i ricercatori, tali rivestimenti in lega dura potrebbero essere utilizzati per l'isolamento termico ed elettrico, nonché per la protezione da danni meccanici. "Supponendo che quel pezzo di rame fosse un cavo, rivestendolo con carburo di afnio-tantalio, abbiamo reso quel cavo circa 10 volte più duro e, per giunta, isolato elettricamente e schermato termicamente", ha continuato il ricercatore. "Anche altri componenti che operano in condizioni difficili potrebbero trarre vantaggio da tali rivestimenti. Ad esempio, potresti rivestire le sfere in un cuscinetto a sfere per aumentarne considerevolmente la resistenza all'usura."

Il capo del progetto strategico Energy of the Future di TPU nell'ambito del programma Priority 2030, Alexander Pak, ha commentato i risultati dello studio:"Ciò che rende importante anche questa ricerca è che le nanopolveri di carburo metallico previste e sintetizzate potrebbero trovare applicazioni nei sistemi catalitici per la produzione di idrogeno mediante scissione dell'acqua. Ciò serve a dimostrare che la collaborazione tra l'Ecoenergy 4.0 Research Center di TPU e il Project Center for Energy Transition di Skoltech e ESG può portare a nuovi straordinari materiali per l'industria energetica". + Esplora ulteriormente

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