Le ceramiche nanostrutturate potrebbero essere utilizzate per realizzare aeroplani e batterie più leggere e resistenti.
di Katherine Bourzac
Travi microscopiche: L’immagine presa da un microscopio elettronico a scansione rivela il nano-reticolo del nuovo materiale ceramico.
Una nuova tipologia di materiale, formata da una serie di travi intrecciate in nanoscala che ricordano la struttura della Torre Eiffel, costituisce la sostanza più forte e leggera mai realizzata. Se i ricercatori sapranno sviluppare un processo per produrre questo materiale in grandi quantità, questo potrebbe trovare applicazioni come materiale strutturale nella costruzione di aeroplani, camion ed elettrodi per batterie.
I ricercatori guidati dalla scienziata dei materiali Julia Greer, della Caltech, hanno scoperto che progettando attentamente travi e giunture è possibile creare ceramiche, metalli ed altri materiali capaci di recuperare la propria forma dopo essere stati schiacciati. I materiali sono molto resistenti ed abbastanza leggeri da galleggiare in aria come una foglia. Questa ricerca è stata recentemente pubblicata su Science.
Nei materiali convenzionali, forza, peso e densità sono correlati. Le ceramiche, ad esempio, sono resistenti ma pesanti, per cui non possono essere adoperate come materiali strutturali all’interno di progetti in cui il peso è cruciale – come ad esempio per le automobili. Quando una ceramica si frantuma, oltretutto, le conseguenze sono catastrofiche.
Nella nanoscala, però, le stesse regole non valgono. In queste proporzioni, le proprietà strutturali e meccaniche delle ceramiche non sono altrettanto vincolate da proprietà quali il peso, e i materiali possono essere alterati più precisamente.
“Per la ceramica, più piccolo significa più resistente”, spiega la Greer, che nel 2008 era stata nominata da MIT Technology Review uno degli Innovators Under 35 per il suo lavoro sulla meccanica in nanoscala. Questo significa che delle travi in nanoscala realizzate con materiali ceramici possono essere sia leggere – il che non è una sorpresa, visto che sono praticamente composti da aria – ed estremamente resistenti.
Nel 2011, mentre lavorava assieme ai ricercatori della HRL Laboratories, una società di ricerca ingegneristica privata, la Greer ha creato uno dei materiali più leggeri mai realizzati, un reticolo microscopico di tubi metallici cavi. In seguito, la ricercatrice ha deciso di accettare la sfida e produrre ceramiche dotate di proprietà simili. Un risultato simile ha richiesto la progettazione accurata di strutture in nanoscala, per cui la produzione di questi materiali risulta ancora più complessa.
Per produrre le nanostrutture ceramiche, il laboratorio della Greer utilizza una tecnica denominata litografia a due fotoni che è simile al processo utilizzato da una stampante 3-D a bassa resa. Per cominciare, il metodo viene utilizzato per creare da un polimero la struttura desiderata, che in questo caso rassomiglia un reticolo. Il reticolo polimerico viene quindi rivestito con un materiale ceramico quale l’allumina. Un incisore al plasma di ossigeno procede quindi con l’intaglio del polimero e la formazione di una struttura di tubi ceramici cavi.
Il laboratorio della Greer ha dimostrato che, modificando lo spessore delle pareti di tubi, è possibile controllare il cedimento del materiale. Quando le pareti sono più spesse, la ceramica si frantuma sotto pressione. Le pareti formate da una struttura più leggera, con uno spessore di appena 10 nanometri, tendono invece a comprimersi per poi riprender la forma originale.
“Non ci si aspetterebbe che questi materiali si riprendano – semmai dovrebbero creparsi e frantumarsi”, dice Christopher Spadaccini, un ingegnere specializzato in produzione di materiali presso il Lawrence Livermore National Laboratory dello U.S. Department of Energy in California.
Secondo Nicholas Fang, un ingegnere meccanico del MIT che sta lavorando a ceramiche nanostrutturate, questi nuovi materiali potrebbero rivelarsi particolarmente interessanti per applicazioni all’interno delle batterie. Le nanostrutture dispongono di un’elevata area superficiale e sono leggere, una combinazione di proprietà che potrebbe portare allo sviluppo di batterie con una grande capacità e tempi di ricarica ridotti. Difatti, la Greer ha ammesso di collaborare con la tedesca Bosch per applicare i suoi progetti nelle batterie agli ioni di litio.
(MO)
