Fibre ceramiche in nanoscala per molteplici applicazioni

La resistenza termica e la deformabilità delle spugne realizzate con nanofibre ceramiche le rende ideali per applicazioni in cui sia richiesta capacità di isolamento termico e flessibilità.

Come creare un materiale che sia contemporaneamente deformabile e resistente alle alte temperature? La risposta è stata trovata dai ricercatori della Brown University, di Providence, nello Stato di Rhode Island, in collaborazione con la Tsinghua University di Pechino, che hanno realizzato, a partire da fibre ceramiche in nanoscala, un materiale equivalente a una spugna che abbina deformabilità con resistenza termica.

Le ceramiche sono materiali inorganici non metallici molto duttili allo stato naturale ma rigidi dopo una fase di cottura, che trovano impiego anche in rivestimenti ad alta resistenza in quanto alcuni materiali presentano un elevato punto di fusione. Ma, come ben noto dall’esperienza quotidiana, le ceramiche sono anche fragili: eventuali crepe tendono a propagarsi rapidamente portando un oggetto a rottura completa anche a seguito di piccole deformazioni. Ma le cose sono diverse in nanoscala, dove crepe e fessurazioni sono talmente piccole da richiedere molta più energia per attivarsi e propagarsi. Le nanofibre, inoltre, “promuovono” meccanismi di deformazione noti come scivolamento o slittamento, in cui gli atomi possono diffondersi lungo gli intergrani, consentendo al materiale di deformarsi senza rompersi.

Grazie a questa dinamica in nanoscala, i materiali realizzati con nanofibre ceramiche presentano elevata flessibilità pur mantenendo la resistenza al calore tipica della ceramica in quanto tale. Ma queste nanofibre non sono facili da realizzare, e i ricercatori hanno ideato un metodo di produzione innovativo, denominato blow-spinning: una soluzione liquida contenente materiale ceramico viene insufflata con aria in pressione in un dispositivo equivalente a una siringa, ma con un ago estremamente miniaturizzo; non appena il liquido emerge, si solidifica formando una matassa di fibre, con eliminazione del solvente tramite riscaldamento, e il risultato finale è una spugna, molto simile a una pallina di cotone, ma dalle proprietà assolutamente inaspettate. La spugna può essere compressa riducendone il volume del 50%, pur mantenendo la sua flessibilità e tornare alle dimensioni originali, con una capacità di isolamento da temperature anche attorno agli 800°C. Altra caratteristica che è stata scoperta è la capacità di queste spugne di purificare l’acqua, utilizzando come materiale ceramico il biossido di titanio, fotocatalizzatore usualmente impiegato sotto forma di polvere per spezzare legami molecolari, con l’effetto di eliminare batteri e altri micro organismi presenti in acqua inquinata. E’ stato sperimentato che le spugne ottenute da nanofibre in biossido di titanio possono assorbire una quantità di acqua equivalente a 50 volte il loro peso, degradandone il contenuto inquinante tramite esposizione a una sorgente luminosa, per poi tornare riutilizzabili una volta eliminata l’acqua, cosa non possibile con la versione in polvere del preparato.

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