Vetro, ne è stato creato uno duro come un diamante. I risultati da un team di ricerca internazionale che è riuscito a sintetizzare un materiale vetroso con una durezza e una conduttività termica mai visti prima.
Non c’è niente più duro dei diamanti, specie se si tratta di materiali progettati in laboratorio e sintetizzati artificialmente. Questo adesso potrebbe valere anche per il vetro: un team di ricerca internazionale, coordinato da Yingwei Fei e Lin Wang del Carnegie Institute of Science, a Washington, negli Stati Uniti, ha sintetizzato un vetro fatto di carbonio che possiede la più elevata durezza e la maggiore conduttività termica mai misurata per un materiale amorfo. Il nuovo materiale promette di avere una vasta gamma di applicazioni pratiche, dai dispositivi mobili all’elettronica. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
Se la forma è sostanza
La funzione segue la forma, e chi è esperto di chimica dei materiali lo sa: le caratteristiche principali di ogni sostanza, da quelle che si vedono a occhio nudo a quelle microscopiche o apprezzabili solo con strumentazione specifica, infatti, sono dovute alla natura dei legami tra gli atomi che la costituiscono, e alla particolare struttura che essi assumono nello spazio. Da uno stesso elemento di partenza possono derivare (naturalmente oppure artificialmente) materiali con caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche totalmente diverse.
Un esempio? Il carbonio: sia la grafite di cui sono fatte le mine delle matite e sia i diamanti sono fatti di carbonio, ma chiaramente la struttura chimica dei due materiali non è la stessa. Questo elemento chimico, infatti, ha una grande capacità di formare strutture stabili, da solo e in combinazione con altri elementi, costituendo sia materiali in cui gli atomi sono disposti in maniera estremamente organizzata (i cosiddetti cristalli), sia materiali detti amorfi in cui gli atomi di carbonio sono disposti in maniera disorganizzata. Non solo: le caratteristiche meccaniche come la durezza o la conduttività termica dipendono anche dal tipo di legami che ci sono tra gli atomi. La grafite, infatti, possiede legami bidimensionali, mentre il diamante legami tridimensionali.
I solidi amorfi mostrano eccellenti proprietà meccaniche e sono spesso facili da modellare per numerose applicazioni pratiche. Basti pensare che questo tipo di materiali include il vetro, alcune plastiche e molti materiali semiconduttori che vengono prodotti e utilizzati in numerosi settori. Nel corso degli anni sono stati proposti, sulla carta, molti altri materiali amorfi, ma mai realizzati a causa delle difficili condizioni di sintesi: tra questi, un solido amorfo come il vetro, ma fatto di carbonio e con le caratteristiche chimico-fisiche del diamante. “La sintesi di un materiale di carbonio amorfo con legami tridimensionali è un obiettivo di vecchia data – ha spiegato Fei in un comunicato stampa -. Il trucco è trovare il giusto materiale di partenza da trasformare“.
Come un pallone da calcio
Da dove partire, quindi, per ottenere questo nuovo materiale? Sicuramente, non dal diamante: i ricercatori hanno dovuto escluderlo a causa del suo elevatissimo punto di fusione. In loro soccorso, però, è arrivato un materiale da premio Nobel: il fullerene, detto anche buckyball.
I buckyball sono strutture sferiche e cave composte da atomi di carbonio legati tra loro con legami chimici forti in modo che formino uno schema di esagoni e pentagoni, lo stesso che si può trovare sui palloni da calcio. Il buckyball più comune contiene 60 atomi di carbonio, è una delle prime nanoparticelle mai trovata ed è valso, nel 1996, il premio Nobel per la chimica a Richard Smalley, Harry Kroto e Robert Curl.
Le nanoparticelle di partenza sono state riscaldate e poi sottoposte all’azione di una pressa multi-incudine di grandi volumi, in modo da avere condizioni di pressione simili a quelle necessarie per ottenere i diamanti: il risultato è stato un materiale amorfo costituito da carbonio con legami tridimensionali, sufficientemente grande (si parla di misure nell’ordine dei millimetri) per essere studiato con metodiche di analisi ad alta risoluzione, che hanno confermato le proprietà chimico-fisiche: una durezza e una conduttività termica mai visti prima in un materiale amorfo. “La creazione di un vetro con proprietà così superiori aprirà le porte a nuove applicazioni – ha spiegato Fei -. L’uso di nuovi materiali in vetro dipende dalla realizzazione di pezzi di grandi dimensioni, che in passato ha rappresentato una sfida. La temperatura relativamente bassa alla quale siamo stati in grado di sintetizzare questo nuovo vetro diamantato rende più pratica la produzione di massa”.
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