Una nuova ceramica cinese può effettivamente piegarsi come il metallo

Oct 04, 2023

NiseriN/iStock

Iscrivendoti, accetti i nostri Termini di utilizzo e le nostre Politiche. Puoi annullare l'iscrizione in qualsiasi momento.

I ricercatori cinesi hanno creato la prima sostanza ceramica al mondo in grado di flettersi come il metallo. Questo sviluppo, se vero, potrebbe migliorare le articolazioni artificiali e le prestazioni del motore.

Prima di questa scoperta, si credeva comunemente che la flessibilità e la resistenza di una ceramica fossero opposte e che l'una sarebbe peggiorata se l'altra fosse migliorata.

Chen Kexin, uno scienziato dei materiali che ha guidato la ricerca, afferma che il nuovo materiale è la prima volta in cui gli scienziati riescono a renderlo più forte e più leggero allo stesso tempo. Ha la durezza della ceramica e la flessibilità del metallo.

"Questa ceramica può portare rivoluzioni tecnologiche in molti settori", ha affermato Chen, professore presso il dipartimento di ingegneria e scienze dei materiali presso la National Natural Science Foundation of China.

Il 27 ottobre, Chen e colleghi dell’Università Tsinghua hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Science. In un articolo apparso sullo stesso numero di Science, Erkka Frankberg dell'Università di Tampere in Finlandia ha affermato che la scoperta "potrebbe portare a materiali più leggeri e resistenti anche delle migliori leghe metalliche di oggi".

baranozdemir/iStock

"La ricerca sulla plasticità della ceramica è stata condotta in tutto il mondo da quando ho iniziato la mia carriera, 30 anni fa. Si può dire che oggi abbiamo finalmente raggiunto una svolta su questo argomento", ha affermato Chen.

Gli scienziati hanno creato nanopilastri con due diverse formazioni cristalline utilizzando nitruro di silicio. Quando una forza esterna viene applicata su una struttura cristallina, questa può trasformarsi in un altro tipo. Ciò consente al materiale di piegarsi prima di tornare alla sua forma originale.

La sostanza può essere particolarmente vantaggiosa per la creazione di motori aeronautici. I materiali ceramici sono durevoli, leggeri e resistenti al calore. I motori ceramici flessibili potrebbero funzionare a temperature significativamente più elevate e con un’efficienza del carburante molto migliore rispetto ai tipici motori in lega.

Un motore in ceramica potrebbe muoversi molto più velocemente di un motore in lega perché sarebbe molto più leggero. Lo stress sugli altri componenti viene ridotto alleggerendo il motore.

La sostanza potrebbe essere applicata anche ai motori delle automobili. Un motore ceramico potrebbe avere un serbatoio del liquido di raffreddamento più piccolo a causa della superiore resistenza al calore dei materiali ceramici rispetto alle leghe. Le temperature di combustione più elevate di un motore ceramico potrebbero produrre più spinta e meno inquinamento.

Le ceramiche in nitruro di silicio possono sostituire il metallo nelle protesi articolari perché sono biocompatibili, leggere e resistenti ai batteri. La maggior parte delle protesi in metallo devono essere sostituite ogni dieci anni, il che è costoso e doloroso.

"Le articolazioni artificiali realizzate con la ceramica possono durare tutta la vita dopo l'impianto", ha spiegato Chen.

Chen ha anche affermato che il materiale potrebbe essere utilizzato per realizzare cuscinetti, una parte essenziale delle turbine eoliche che collegano il generatore alle pale del ventilatore. La durata di ciascun cuscinetto, che deve sostenere diverse tonnellate di pressione durante l'uso, influisce sulla durata complessiva del sistema.

"La nostra ceramica flessibile al nitruro di silicio potrebbe essere utilizzata per realizzare cuscinetti che durino più a lungo, il che ridurrebbe in media il costo dell'energia eolica", spiega Chen.

"Sulla base dei nostri esperimenti è possibile produrre questo materiale ceramico flessibile su larga scala. C'è un evidente vantaggio in termini di prezzo nel campo delle apparecchiature di fascia alta", ha aggiunto.

Ha fatto l'esempio dei costosi minerali delle terre rare utilizzati per realizzare le pale delle turbine monocristalline utilizzate nei motori a reazione. Allo stesso tempo, il nitruro di silicio più costoso viene venduto a circa 200 dollari al chilogrammo.

"Continueremo a migliorare questo materiale ceramico sulla base del nostro lavoro attuale. Una volta aperta una porta, c'è un vasto mondo dietro", ha detto Chen.

Puoi vedere tu stesso lo studio sulla rivista Science.

Estratto dello studio:

"Le ceramiche legate covalentemente mostrano proprietà preminenti, tra cui durezza, resistenza, inerzia chimica e resistenza al calore e alla corrosione, ma la loro più ampia applicazione è impegnativa a causa della loro fragilità a temperatura ambiente. A differenza degli atomi nei metalli che possono scivolare lungo piani di scorrimento Per accogliere le deformazioni, gli atomi nelle ceramiche legate covalentemente richiedono la rottura del legame a causa delle caratteristiche forti e direzionali dei legami covalenti. Ciò alla fine porta a guasti catastrofici durante il caricamento. Presentiamo un approccio per la progettazione di ceramiche deformabili di nitruro di silicio (Si3N4) legate covalentemente che presentano una struttura a doppia fase con interfacce coerenti. La successiva commutazione dei legami viene realizzata sulle interfacce coerenti, il che facilita una trasformazione di fase indotta dallo stress e, alla fine, genera deformabilità plastica.