Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w USA oraz Nanyang Technological University (NTU) w Singapurze stworzyli elastyczny materiał ceramiczny, który dodatkowo posiada tzw. “pamięć kształtu”.
Tradycyjna ceramika jest odporna na działanie wysokich temperatur, czynników chemicznych, ma dobre właściwości izolacyjne (nie przewodzi prądu) oraz posiada dużą twardość (odporność na ścieranie, ognioodporność) w porównaniu do innych materiałów, np. polimerów.
Wadami materiałów ceramicznych są głównie mała wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, kruchość oraz niska odporność na szoki mechaniczne i termiczne. Kruchość utrudnia obróbkę mechaniczną wyrobów i łączenie materiałów ceramicznych ze sobą lub innymi materiałami. Ceramika porowata wykazuje się wysoką wytrzymałością 25-1000 MPa, na równi z wytrzymałością stali, stopów, kamienia stałego. Ceramiczne materiały są jednymi z najtwardszych materiałów inżynierskich po diamencie.
Zespołom z MIT oraz NTU udało się opracować materiał ceramiczny, który oprócz zalet posiadanych przez tę grupę materiałów, posiada właściwości do tej pory obce – elastyczność oraz pamięć kształtu. Taki materiał wcześniej odkształcony wraca po podgrzaniu do pierwotnego kształtu. Dotychczas takie cechy wykazywały niektóre stopy metali (np. stop niklu i tytanu – Nitinol) oraz wybrane polimery. To zaskakujące odkrycie zostało opublikowane na łamach czasopisma Science, 27 września 2013 roku.
Materiały z pamięcią kształtu to klasa materiałów inteligentnych, u których ciepło powoduje odwracalną przemianę struktury krystalicznej. Ciała stałe zbudowane są z komórek elementarnych, które składają się na sieć o uporządkowaniu dalekiego zasięgu. W materiałach z pamięcią kształtu, przy zachowaniu składu chemicznego zmienia się ułożenie atomów lub cząsteczek w sieci, dzięki czemu odkształcony materiał wraca do oryginalnego kształtu.
Naukowcy stwierdzili, że struktura molekularna materiałów ceramicznych teoretycznie umożliwia zapamiętywanie kształtów, lecz przeszkodę stanowi kruchość oraz skłonność do pękania. Dlatego aż do tej pory koncepcja ta nie została zrealizowana. Kluczem do stworzenia ceramiki z pamięcią kształtu okazało się wyprodukowanie ceramiki w bardzo małych rozmiarach.
Inżynierowie stworzyli ceramiczny materiał o bardzo małych nanometrycznych rozmiarach, przez co nie był on dostrzegalny gołym okiem. Jak wiadomo materiały zbudowane w skali nano lub mikro często posiadają właściwości niedostępne dla materiałów w skali makro. Następnie naukowcy skupili się na rozciągnięciu ziaren krystalitów w całej strukturze, by wyeliminować granice między-ziarnowe, gdzie powstawanie pęknięć jest najbardziej prawdopodobne. Tak powstałe włókna o kształcie okrągłych filarów poddano odpowiednim badaniom.
Dla materiałów ceramicznych wygięcie materiału o 1% powoduje jego spękanie. Uzyskane przez naukowców próbki z dwutlenku cyrkonu były wielokrotne odkształcane (50 razy) na poziomie 7-8% bez pęknięć. Średnica wytworzonych włókien wynosiła około 1000 nanometrów (1 mikrometr). W świecie nano taki rozmiar nie jest rekordem, mimo wszystko właściwości materiału zaskoczyły badaczy.
Materiał ceramiczny posiadający elastyczność i pamięć kształtu może posłużyć m.in. do budowy nano i mikronarzędzi stosowanych w medycynie.
Naukowcy uważają, że takie właściwości takie jak we włóknach dwutlenku cyrkonu (ZrO2) można uzyskać także w innych materiałach ceramicznych stosując taką samą technikę produkcji.
Źródło:
[1] Shape Memory and Superelastic Ceramics at Small Scales. Science 27 September 2013: Vol. 341 no. 6153 pp. 1505-1508
[2] http://web.mit.edu/newsoffice/2013/how-to-make-ceramics-
that-bend-without-breaking-0926.html | 02.10.2013
[3] http://www.sciencemag.org/content/341/6153/1505 | 02.10.2013
[4] Art 150 Intro to Ceramics by Parker Knight, flickr.com, CC BY 2.0