Fig.1 Motivo Hidasuki su gres Bizen
Dai misteri della produzione dei colori rossi nel tradizionale gres giapponese Bizen ai batteri ossidanti del ferro per le batterie agli ioni di litio, Il professor Jun Takada è in prima linea nella ricerca sui nanomateriali innovativi di ossido di ferro.
Il professor Jun Takada è alla Graduate School of Natural Science and Technology dell'Università di Okayama. "Ho passato trent'anni a indagare su come gli artigiani fossero in grado di rendere i bellissimi colori rossi nelle ceramiche Bizen e Arita, " spiega Takada. "Questa ricerca ha rivelato l'importante ruolo delle particelle di ossido di ferro per la produzione dei colori. Ora sto lavorando su applicazioni innovative di materiali a base di ossido di ferro su scala nanometrica prodotti da "batteri ossidanti il ferro". Sono passato dalla ceramica fine e dal gres Bizen alle celle a combustibile e alla biotecnologia!"
Gli articoli Bizen hanno una storia di più di mille anni. La ceramica ha i caratteristici colori 'hidasuki' o 'marchio di fuoco' (Fig.1) e viene prodotta utilizzando argilla ricca di ferro estratta dalle risaie nell'area di Bizen della prefettura di Okayama. intrigante, i colori rossi sono resi avvolgendo la paglia attorno al gres e non mediante smaltatura. Ma perché la paglia, originariamente utilizzato per separare i pezzi di grès nelle fornaci, produrre i colori rossi dove la paglia è a contatto con la superficie dell'argilla?
Fig.2 Ossido di ferro sostituito con Al per un nuovo pigmento rosso.
"La nostra ricerca ha mostrato che l'argilla Bizen aveva un alto contenuto di ferro, concentrazioni minori di altri elementi tra cui il silicio, calcio, magnesio, e sodio, " spiega Takada. "I modelli rossi sono prodotti dalla precipitazione del corindone (α-Al2O3) seguita dalla formazione di ermatite (α-Fe2O3) attorno ad esso durante il processo di raffreddamento".
Più specificamente, il potassio nella paglia riduce il punto di fusione della superficie dell'argilla Bizen, che porta alla formazione di un liquido di circa 50 micrometri di spessore sulla superficie dell'argilla calda, dove avvengono le suddette reazioni. Per di più, la ricerca ha identificato la formazione di cristalli a sandwich di particelle α-Fe2O3/α-Al2O3/α-Fe2O3 durante la reazione nel raffreddamento lento. (Fig.1)
"Il risultato principale della ricerca è stata l'importanza dell'ematite nella formazione dei modelli rosso hidasuki, " dice Takada. "Abbiamo anche trovato una relazione tra la crescita delle particelle di ematite e il colore della ceramica Bizen risultante".
Takada e colleghi hanno anche prodotto la cosiddetta ematite Al-sostituita, dove la sostituzione di Al ha soppresso la crescita dei grani dell'ematite e il colore del tono è diventato più forte con l'aumento dell'alluminio. (Fig.2) Hanno scoperto che le particelle di circa 100 nm producevano un rosso giallastro, e le dimensioni delle particelle più grandi hanno portato a colori rosso e infine viola scuro. Questa ricerca ha finalmente permesso ai ricercatori di produrre polveri a base di ematite che non contengono elementi pericolosi come cromo o piombo, e quindi aumenta la gamma di applicazioni di questi materiali, producendo in particolare la decorazione Aka-e sulla ceramica Arita sovrasmaltata.
Fig.3 Nuovo ossido di ferro di colore rosso
Ispirato dalla sua ricerca sulle particelle di ematite e ossido di ferro per la produzione di colori rossi, Takada ha avviato una nuova ricerca sulla preparazione di tubi a nanostruttura e fibre di ossidi di ferro, noti come ossidi di ferro biogeni (BIOX) (Fig. 3), prodotti dai cosiddetti batteri ossidanti il ferro. "Il precipitato bruno giallastro trovato in una sorgente sotterranea è dovuto alla presenza di fasci fibrosi extracellulari prodotti da batteri ossidanti il ferro come Leptothrix ochracea, " dice Takada. "La nostra ricerca mostra che questo materiale dall'aspetto altrimenti inutile ha alcune applicazioni estremamente importanti". la ricerca di Takada sulle proprietà fisiche della matrice BIOX ha mostrato che questo ossido di ferro ha uno stato amorfo costituito da una struttura ibrida organica/inorganica di nanoparticelle di dimensioni ~3 nm di molti elementi diversi tra cui carbonio, fosforo, silicio, e ferro.
Importanti applicazioni di BIOX includono come materiale anodico di batterie agli ioni di litio, catalizzatori, pigmentazione del colore, e innovazione basata su questi materiali ad alta affinità per le cellule umane. "I nostri studi sulla formazione di BIOX mostrano che la secrezione extracellulare di polimeri batterici innesca la deposizione e il legame di inorganici acquatici come Fe, si, e P, che si traduce nell'esclusivo ibrido organico/inorganico, " dice Takada. "Questo BIOX a basso costo è un materiale funzionale ecologico e non tossico con una vasta gamma di applicazioni, compresa la produzione di belle ceramiche e arti, quali sono le radici di questa ricerca”.
