Nanocompositi di ispirazione biologica

I materiali strutturali sostenibili leggeri supportano progressi nelle applicazioni dai veicoli elettrici e gli impianti biomedici alle turbine eoliche. Una difficoltà chiave è l’intrinseca mancanza di resistenza associata ai materiali porosi. Gli scienziati hanno avviato il progetto ACIN (“Advanced composites inspired by nature”), finanziato dall’UE, per sviluppare nuove tecniche di lavorazione per nanocompositi a base di ceramica di ispirazione biologica che replichino i meccanismi di indurimento osservati in natura con inedite caratteristiche meccaniche.

I ricercatori si sono concentrati su una combinazione di freeze casting e sinterizzazione in corrente pulsata. Il freeze casting ha ottenuto interesse negli ultimi anni, in particolare per la ceramica e i composti ibridi ceramica-polimero.

In questo semplice processo, una sospensione viene congelata e l’acqua sublimata per produrre strutture porose. Tale operazione può essere eseguita con un eccellente controllo strutturale. La sinterizzazione in corrente pulsata è un nuovo processo di consolidamento delle polveri ad alta velocità rivoluzionario, che si basa sull’azione di auto-riscaldamento all’interno della polvere. Temperature inferiori sono necessarie per periodi più brevi rispetto ai metodi convenzionali di sinterizzazione.

Gli scienziati hanno prima studiato gli effetti di condizioni di lavorazione e composizione di sospensione sulle architetture di scaffold prodotte mediante freeze casting di ceramica e materiali basati su nanocarboni. Le conoscenze hanno guidato lo sviluppo di metodi per allineare gli strati di ceramica (lamelle) durante il congelamento. Il lavoro sulla ceramica e il carbonio nano-strutturati ha portato allo sviluppo di strutture di carburo di silicio poroso a elevate prestazioni di diverse morfologie. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per fabbricare compositi ceramica-carbonio altamente strutturati ed elettricamente conduttivi.

L’attenzione è stata poi rivolta all’uso della sinterizzazione in corrente pulsata per aumentare la densità dei compositi ceramica-carbonio. Il team ha prodotto con successo le strutture in mattoni e malta simili alla madreperla con mattoni in ceramica e strati di carbonio sottili. Infine, i ricercatori hanno sviluppato reti cellulari complesse basate sul grafene e caratterizzate da proprietà fisiche sintetizzabili. Il team ha studiato il loro potenziale come nanocomposti sensibili, elettricamente conduttivi simili alla pelle con capacità di auto-guarigione.

I progressi di ispirazione biologica di ACIN nella lavorazione e nei composti di ceramica e nanocarbonio porosi e altamente controllati aprono la strada a sistemi multifunzione ad alta resistenza per numerose applicazioni. Possono contribuire a soddisfare alcune delle sfide più importanti nella produzione di energia e nei trasporti, negli impianti ortopedici e persino nella pelle elettronica.