Un gruppo di ricerca della School of Engineering della Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) ha sviluppato un metodo innovativo che supera le limitazioni della produzione additiva tradizionale (stampa 3D), semplificando e accelerando significativamente la produzione di ceramiche cellulari geometricamente complesse. Questo approccio rivoluzionario potrebbe trasformare il design e la lavorazione di vari materiali ceramici, aprendo nuove possibilità di applicazione nei settori dell’energia, dell’elettronica e della biomedicina, inclusi robotica, celle solari, sensori, elettrodi per batterie e dispositivi battericidi.
Ceramiche cellulari e innovazione tecnologica
Le ceramiche cellulari sono materiali ampiamente utilizzati, noti per la loro prestazione stabile, resistenza all’erosione e lunga durata. Il team di ricerca, guidato dal professore associato Yang Zhengbao del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale di HKUST, ha progettato una strategia di elaborazione a due fasi assistita dalla tensione superficiale (STATS) per fabbricare ceramiche cellulari con configurazioni tridimensionali programmate. Questo approccio si basa su due fasi chiave: (1) la preparazione di reticoli organici basati su celle, assistita dal metodo di produzione additiva per costruire le configurazioni di base, e (2) il riempimento della soluzione precursore con i componenti richiesti nel reticolo architettato.
Controllo della geometria dei liquidi
Una delle principali sfide era controllare la geometria del liquido. Per affrontare questa sfida, il team ha sfruttato la tensione superficiale, un fenomeno naturale, per catturare la soluzione precursore nei reticoli cellulari architettati. Grazie alla capacità della tensione superficiale di intrappolare e fissare i fluidi nei reticoli preparati, i ricercatori sono riusciti a controllare la geometria del liquido e a produrre ceramiche cellulari con alta precisione.
Parametri geometrici e potenzialità applicative
Il team ha ulteriormente investigato i parametri geometrici per i reticoli architettati assemblati da celle unitarie e colonne unitarie, sia teoricamente che sperimentalmente, per guidare la creazione di interfacce fluide in configurazioni disposte. Dopo l’essiccazione e la sinterizzazione ad alta temperatura, sono state ottenute le ceramiche cellulari architettate. Utilizzando il nuovo approccio STATS, la sintesi degli ingredienti è stata separata dalla costruzione dell’architettura, permettendo la fabbricazione programmabile di ceramiche cellulari con diverse dimensioni delle celle, geometrie, densità, meta-strutture ed elementi costitutivi. Con un’elevata programmabilità, il metodo è applicabile sia alle ceramiche strutturali (ad esempio Al2O3) che a quelle funzionali (ad esempio TiO2, BiFeO3, BaTiO3).
Prestazioni piezoelettriche e ispirazione bio
Per verificare la superiorità del metodo, i ricercatori hanno studiato anche le prestazioni piezoelettriche delle ceramiche piezoelettriche cellulari. Hanno scoperto che l’approccio proposto poteva ridurre i micropori e migliorare la compattezza locale nelle ceramiche cellulari sinterizzate grazie alla significativa riduzione dei componenti organici nel materiale di base. Questo processo favorisce la produzione di ceramiche piezoelettriche cellulari globalmente porose e localmente compatte, ottenendo una costante piezoelettrica d33 relativamente alta (~200 pC N-1) anche a una porosità complessiva molto elevata (>90%).
Il professor Yang ha rivelato che il metodo è stato ispirato dalle diatomee, alghe comunemente trovate nei sedimenti o attaccate a sostanze solide nelle acque, che servono direttamente e indirettamente come cibo per molti animali. Le diatomee, caratterizzate dalla loro frustola di silice o parete cellulare esterna, sono costruite attraverso un processo di biomineralizzazione geneticamente programmato in strutture altamente precise, con una varietà di morfologie, forme, geometrie, distribuzioni di pori e assemblaggi.
Un nuovo approccio alla fabbricazione ceramica
“La nostra strategia supera le limitazioni dei metodi di produzione convenzionali e consente la creazione di architetture ceramiche programmabili e geometricamente complesse. Questo approccio innovativo può contribuire alla lavorazione di numerose ceramiche cellulari strutturali e funzionali, con applicazioni che vanno dai filtri, sensori, attuatori, robotica, elettrodi per batterie, celle solari e dispositivi battericidi. Inoltre, la filosofia dell’ingegneria dell’interfaccia fluida per la fabbricazione di solidi offre una nuova soluzione per combinare la lavorazione interfaccia con la produzione innovativa, illuminando lo sviluppo sinergico del design avanzato e dei materiali intelligenti,” ha spiegato il professor Yang.
Lo studio, intitolato “A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics,” è stato recentemente pubblicato sulla rivista multidisciplinare di primo livello Nature Communications. Dr. Hong Ying, Dr. Liu Shiyuan, entrambi ex borsisti post-dottorato presso HKUST, e Yang Xiaodan, un dottorando sotto la supervisione del professor Yang, sono stati i primi autori.
Riferimenti
Rivista: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-49345-3
Metodo di Ricerca: Studio sperimentale
Titolo dell’Articolo: “A bioinspired surface tension-driven route toward programmed cellular ceramics”
