Sopravvivere al calore della lava: scienziati scoprono nuove ceramiche rivoluzionarie
Una rivoluzione nel campo dei materiali ceramici
Immaginate di poter utilizzare dispositivi elettronici in ambienti estremi, come ad esempio un bagno di lava. Grazie a una nuova tecnica computazionale, questo scenario potrebbe presto diventare realtà. Un team di ricerca guidato da scienziati dei materiali della Duke University ha sviluppato un metodo per scoprire rapidamente una nuova classe di materiali ceramici in grado di resistere a temperature elevatissime e di mantenere le loro proprietà elettroniche in condizioni estreme, superando i mille gradi Celsius.
• Una rivoluzione nel campo dei materiali ceramici
Questi materiali, più duri dell’acciaio e stabili in ambienti chimicamente corrosivi, potrebbero rivoluzionare diversi settori industriali, dalla produzione di rivestimenti resistenti all’usura e alla corrosione, ai termoelettrici, batterie, catalizzatori e dispositivi resistenti alle radiazioni.
La scoperta di questi materiali ceramici, realizzati utilizzando carbonitruri o boruri di metalli di transizione, è stata possibile grazie a un nuovo metodo computazionale chiamato Disordered Enthalpy-Entropy Descriptor (DEED). Nella sua prima dimostrazione, il programma ha predetto la sintetizzabilità di 900 nuove formulazioni di materiali ad alte prestazioni, di cui 17 sono state poi testate e prodotte con successo nei laboratori.
I risultati, pubblicati recentemente sulla rivista Nature , includono contributi di collaboratori della Penn State University, della Missouri University of Science and Technology, della North Carolina State University e della State University of New York at Buffalo.
“La capacità di scoprire rapidamente composizioni sintetizzabili permetterà ai ricercatori di concentrarsi sull’ottimizzazione delle loro proprietà rivoluzionarie per l’industria”, ha affermato Stefano Curtarolo, professore distinto della Edmund T. Pratt Jr. School of Mechanical Engineering and Materials Science alla Duke.
Il gruppo di Curtarolo gestisce il Duke Automatic-FLOW for Materials Database (AFLOW), un’enorme riserva di dati sulle proprietà dei materiali collegata a numerosi strumenti online per l’ottimizzazione dei materiali. Questa ricchezza di informazioni consente agli algoritmi di prevedere accuratamente le proprietà di miscele inesplorate senza dover tentare di simulare le complessità della dinamica atomica o di realizzarle in laboratorio.
Negli ultimi anni, il gruppo di Curtarolo ha lavorato allo sviluppo di poteri predittivi per materiali “ad alta entropia” che derivano una maggiore stabilità da una miscela caotica di atomi piuttosto che fare affidamento esclusivamente sulla struttura atomica ordinata dei materiali convenzionali. Nel 2018, hanno scoperto i carburi ad alta entropia, che erano uno scenario speciale più semplice.
“I carburi ad alta entropia avevano tutti una quantità relativamente uniforme di entalpia, quindi potevamo ignorare parte dell’equazione”, ha detto Curtarolo. “Ma per prevedere nuove ricette ceramiche con altri metalli di transizione, abbiamo dovuto affrontare l’entalpia.”
Per comprendere meglio i concetti di entropia e entalpia in questa applicazione, pensate a un bambino di 10 anni che cerca di costruire una cuccia per cani con un mucchio gigante di Lego. Anche con un numero limitato di blocchi da costruzione, ci sarebbero molti possibili risultati di progettazione.
In termini semplici, l’entalpia è una misura di quanto sia robusto ogni progetto, e l’entropia una misura del numero di possibili progetti che hanno tutti una forza simile. Il primo promuove configurazioni ordinate, come quelle che potrebbero essere trovate nei libretti di istruzioni. Il secondo cattura il caos inevitabile che si verificherebbe man mano che il bambino mette più tempo ed energia nello sforzo di costruzione sempre più confuso. Entrambi sono una misura della quantità di energia e calore che finiscono per essere assorbiti nel prodotto finale.
“Per quantificare rapidamente sia l’entalpia che l’entropia, abbiamo dovuto calcolare l’energia contenuta nelle centinaia di migliaia di varie combinazioni di ingredienti che avremmo potuto creare invece delle ceramiche che stiamo cercando”, ha detto Curtarolo. “È stato un compito mastodontico.”
Oltre a prevedere nuove ricette per ceramiche disordinate stabili, DEED aiuta anche a indirizzare la loro ulteriore analisi per scoprire le loro proprietà intrinseche. Per trovare le ceramiche ottimali per varie applicazioni, i ricercatori dovranno affinare questi calcoli e testarli fisicamente nei laboratori.
DEED è specificamente adattato a un metodo di produzione chiamato sinterizzazione a caldo pressato. Questo processo prevede di prendere forme in polvere dei composti costituenti e riscaldarli in un vuoto fino a oltre 2000 gradi Celsius, applicando pressione per tempi che possono essere lunghi anche alcune ore. Tra tutti i tempi di preparazione, reazione e raffreddamento, l’intero processo richiede più di otto ore.
“L’ultimo passaggio nella sintesi, chiamato sinterizzazione a plasma di scintilla, è un metodo emergente nella scienza dei materiali che è comune nei laboratori di ricerca”, ha detto William Fahrenholtz, professore distinto di ingegneria ceramica alla Missouri S&T.
Le ceramiche finite hanno un aspetto metallico e appaiono di colore grigio scuro o nero. Hanno una sensazione simile a quella delle leghe metalliche come l’acciaio inossidabile e hanno una densità simile, ma sono molto più scure nell’aspetto. E anche se sembrano metalliche, sono dure e fragili come le ceramiche convenzionali.
Andando avanti, il gruppo si aspetta che altri ricercatori inizino a utilizzare DEED per sintetizzare e testare le proprietà di nuovi materiali ceramici per varie applicazioni. Data l’incredibile gamma di potenziali proprietà e usi, credono che sia solo questione di tempo prima che alcuni di essi entrino nella produzione commerciale.
“La sinterizzazione a plasma di scintilla o la tecnologia di sinterizzazione assistita da campo (FAST) non è ancora una tecnica comune nell’industria”, ha aggiunto Doug Wolfe, professore di scienza e ingegneria dei materiali e vicepresidente associato per la ricerca alla Penn State. “Tuttavia, i produttori di ceramiche attuali potrebbero passare alla produzione di questi materiali apportando piccoli aggiustamenti ai processi e agli impianti esistenti.”