Smartphone che non si graffiano né si frantumano. Pacemaker senza metallo. Elettronica per lo spazio e altri ambienti difficili. Tutto ciò potrebbe essere reso possibile grazie a una nuova tecnologia di saldatura della ceramica sviluppata da un team di ingegneri dell'Università della California San Diego e dell'Università della California Riverside.

Il processo, pubblicato nel numero del 23 agosto di Scienza , utilizza un laser pulsato ultraveloce per fondere i materiali ceramici lungo l'interfaccia e fonderli insieme. Funziona in condizioni ambientali e utilizza meno di 50 watt di potenza laser, rendendolo più pratico rispetto agli attuali metodi di saldatura in ceramica che richiedono il riscaldamento delle parti in un forno.

Le ceramiche sono state fondamentalmente difficili da saldare insieme perché hanno bisogno di temperature estremamente elevate per fondersi, esponendoli a gradienti di temperatura estremi che causano fessurazioni, ha spiegato l'autore senior Javier E. Garay, un professore di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali presso la UC San Diego, che ha guidato il lavoro in collaborazione con il professore di UC Riverside e cattedra di ingegneria meccanica Guillermo Aguilar.

I materiali ceramici sono di grande interesse perché biocompatibili, estremamente duro e resistente agli urti, rendendoli ideali per impianti biomedici e involucri protettivi per l'elettronica. Però, le attuali procedure di saldatura della ceramica non favoriscono la realizzazione di tali dispositivi.

"In questo momento non c'è modo di racchiudere o sigillare componenti elettronici all'interno della ceramica perché dovresti mettere l'intero gruppo in una fornace, che finirebbe per bruciare l'elettronica, " disse Garay.

Garay, La soluzione di Aguilar e colleghi è stata quella di puntare una serie di brevi impulsi laser lungo l'interfaccia tra due parti in ceramica in modo che il calore si accumuli solo sull'interfaccia e provochi una fusione localizzata. Chiamano il loro metodo saldatura laser pulsata ultraveloce.

Per farlo funzionare, i ricercatori hanno dovuto ottimizzare due aspetti:i parametri laser (tempo di esposizione, numero di impulsi laser, e durata degli impulsi) e la trasparenza del materiale ceramico. Con la giusta combinazione, l'energia del laser si accoppia fortemente alla ceramica, consentendo di eseguire saldature utilizzando laser a bassa potenza (inferiore a 50 watt) a temperatura ambiente.

"Il punto debole degli impulsi ultraveloci era di due picosecondi all'alta frequenza di ripetizione di un megahertz, insieme a un moderato numero totale di impulsi. Questo massimizzava il diametro del fuso, ablazione del materiale ridotta al minimo, e raffreddamento temporizzato giusto per la migliore saldatura possibile, " ha detto Aguilar.

"Concentrando l'energia proprio dove vogliamo, evitiamo di creare gradienti di temperatura su tutta la ceramica, così possiamo racchiudere materiali sensibili alla temperatura senza danneggiarli, " ha detto Garay.

A riprova del concetto, i ricercatori hanno saldato un cappuccio cilindrico trasparente all'interno di un tubo di ceramica. I test hanno dimostrato che le saldature sono abbastanza resistenti da trattenere il vuoto.

"I test del vuoto che abbiamo utilizzato sulle nostre saldature sono gli stessi test utilizzati nell'industria per convalidare i sigilli sui dispositivi elettronici e optoelettronici, " ha detto il primo autore Elias Penilla, che ha lavorato al progetto come ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Garay presso l'UC San Diego.

Finora il processo è stato utilizzato solo per saldare piccole parti in ceramica di dimensioni inferiori a due centimetri. I piani futuri riguarderanno l'ottimizzazione del metodo per scale più grandi, così come per diversi tipi di materiali e geometrie.