Science, 12 Mar 93, Vol. 259, pag. 1592 - Minoru Akaishi - La sintesi del diamante dalla grafite viene ottenuta già da 30 anni in condizioni di alta pressione e temperatura ed in presenza di catalizzatori costituiti da Fe, Ni o Co o da leghe binarie come Nb-Cu, carbonati, idrossidi o solfati. Recentemente si sono sintetizzati cristalli di diamanti semiconduttori di tipo n in presenza di elementi del gruppo V come donatori: P, As, Sb. Il più adatto è stato il fosforo in presenza del quale si è trasformata la grafite in diamante a 7,7 GPa di pressione e 1800 °C. I cristalli sono però molto piccoli: alcune decine di µm.
Science, 28 May 93, Vol. 260, pag. 1310 - M. A. Plano - Film di diamante policristallino su substrati di grandi dimensioni non di diamante come il silicio sono stati realizzati mediante la tecnica di chemical vapor deposition (CVD). Le proprietà di questi film possono essere sfruttate in molte applicazioni elettroniche che coinvolgono condizioni estreme. Il film policristallino è stato depositato su silicio con un reattore a microonde di plasma contenente metano, monossido di carbonio ed idrogeno. Si sono ottenute mobilità di elettroni e buchi di 50 cmq per Volt per sec con tempi di vita di 50 ps fino a 4000 cmq per Volt per sec con tempi di vita di 150 ps.
Science, 4 Jun 93, Vol. 260, pg. 1424 - Ivan Amato - Ogni anno vengono prodotte tonnellate di particelle di diamante per usi industriali come abrasivi riscaldando la grafite a 2500 °C sotto 50000 atmosfere. Il metodo richiede macchinari grandi e complessi. Un metodo meno costoso è di ricorrere alla tecnica di Chemical Vapor Deposition (CVD) mediante plasma contenente metano scaldato a microonde; tuttavia questo processo è lento e poco industriale. Recentemente si è scoperto che partendo da polimeri a base di carbonio e decomponendoli ad alta temperatura si ottiene un film con una struttura simile al diamante.
Science, 4 Jun 93, Vol. 260, pg. 1496 - Glenn T. Visscher - I polimeri della classe del poliacetilene sono al centro di intense ricerche per le loro proprietà elettroniche. Recentemente è stato sintetizzato un polifenilcarbine che ha uno scheletro composto da atomi di carbonio disposti secondo un tetraedro. La decomposizione termica sotto pressione di questo composto genera un materiale di carbonio simile al diamante.
Science, 12 Nov 93, Vol. 262, pg. 985 - Faye Flam - L’Istituto di Fisica-Chimica di Mosca con il team di Boris Spitsyn ha ricevuto un finanziamento di 50000 US$ dal DOE USA per continuare le sue ricerche sui film di diamante per applicazioni elettroniche in collaborazione con l’Università del Missouri. La ricerca è volta a sostituire il silicio con il diamante nei circuiti integrati ad elevate prestazioni resistenti alla radiazioni, calore, attacco chimico e stress quindi ideali nelle applicazioni per satelliti, automobili e motori a jet. Per il diamante il problema sta nel drogaggio; è stato ottenuto il drogaggio tipo-p mediante impurità come il Boro; il drogaggio di tipo-n con il Fosforo è stato tentato invano. I Russi dicono di essere riusciti ad aggiungere Fosforo rosso durante la deposizione del diamante.
Science, 10 Jun 94, Vol. 264, pg. 1532 - Robert F. Service - La cristallografia ai raggi X è il metodo usato per guardare alla struttura interna delle molecole complesse, ma ricostruire la loro architettura tridimensionale è piuttosto arduo. Ora con la combinazione di due potenti tecniche è possibile superare queste difficoltà. Si tratta di usare un atomic force microscope (AFM) in combinazione con la nuclear magnetic resonance (NMR) e la strumentazione viene chiamata magnetic resonance force microscope (MRFM). Nello AFM il campione è posto su un braccio flessibile davanti ad un probe magnetico e sottoposto ad un campo RF, le forze repulsive che si generano fanno oscillare il braccio flessibile ed un interferometro a fibre ottiche ricostruisce la mappa degli atomi. Per identificare gli atomi si aggiunge la risonanza magnetica introducendo un forte campo omogeneo con magnete a superconduttore che combinato con quello non omogeneo del probe produce sul campione le condizioni di risonanza degli spin che ruoteranno con frequenze diverse a secondo del tipo di atomo permettendo così la loro identificazione nel rivelatore interferometrico. Spostando sul campione il punto di risonanza, muovendo il probe magnetico, si possono analizzare sezioni diverse del campione cioè della molecola complessa sotto osservazione.
Science, 24 Feb 95, Vol. 267, pg. 1089 - Antonio Regalado - Cinque anni fa due ricercatori dell’università di Berkeley in California predissero la possibilità di realizzare un materiale cristallino più duro del diamante composto di carbonio ed azoto. La scorsa settimana è stata comunicata la creazione, nella Northwestern University, di un nuovo composto formato da strati di nitruro di titanio e carbonio la cui durezza è simile a quella del nitruro di boro. In realtà il nitruro di carbonio non si forma in natura, è necessario creare una matrice che faccia da incentivo ed in questo caso si è provato con uno strato di nitruro di titanio. Il materiale risultante richiede per essere inciso una pressione di 45 - 55 gigapascal contro i 50 - 100 del diamante. Lo strato cristallino realizzato è spesso solo 4 - 5 nm, è molto difficile da analizzare e non si è ancora sicuri di aver realizzato la struttura prevista. La ricerca continua usando una diversa matrice formata da nitruro di zirgonio con cui realizzare uno strato più spesso di nitruro di carbonio.
Science, 5 Jan 96, Vol. 271, pg. 53 - David M. Teter - Studi teorici e sperimentali suggeriscono che i nitriti di carbonio, dalla formula n-C3N4 sono in grado di realizzare materiali di durezza superiore a quella del diamante con un reticolo a struttura cubica meccanicamente stabile sia ad alta che a bassa pressione. La forma cubica avrebbe anche un’eccellente conducibilità termica. Per la sintesi si può partire dalla struttura grafite sottoponendola ad una pressione sufficiente a provocare la trasformazione nella fase cubica.
Science, 3 May 96, Vol. 272, pg. 650 - Steve Nadis - Nel 1948 il fisico ungherese Dennis Gabor mise le basi teoriche dell’olografia e nel 1971 vinse il premio Nobel per aver reso possibile l’olografia. Solo recentemente però è stato possibile applicarla su scala atomica perché ciò richiede la disponibilità di sorgenti coerenti di raggi X. Il 7 marzo, nella rivista Nature, è stata annunziata la prima olografia di atomi all’interno di un solido. Una potente sorgente di raggi X da sincrotrone viene utilizzata come segnale di referenza, la radiazione X diffusa dagli atomi costituisce il segnale di immagine. Variando la frequenza della radiazione X con il sincrotrone si può eseguire la misura a diverse energie eliminando le aberrazioni.
Science, 16 Aug 96, Vol. 273, pg. 889 - William D. Sproul - Fin dagli anni ‘70 è stato usato l’indurimento superficiale dei materiali con carburo di titanio (TiC), nitruro di titanio (TiN) e ossido di alluminio (Al2O3) per allungare la vita di utensili e di materiali che lavorano per sfregamento. Lo spessore del ricoprimento è dell’ordine di 5 micron e la durezza di 20 Gpa. L’applicazione si esegue per deposizione dei vapori a circa 1000 °C, ma ora si stanno sviluppando metodi di physical vapor deposition (PVD) a più bassa temperature, minore di 500 °C, mediante la tecnica di magnetron sputtering. Creando una rete di cristalli a strati alternativamente di TiN e VN (nitruro di vanadio) con uno spessore di singolo strato da 5 a 10 nanometri, si sono ottenute durezze superiore a 50 Gpa; lo stesso si è ottenuto con la coppia TiN e NbN (nitruro di niobio).
Science, 28 Mar 97, Vol. 275, pg. 1878 - Robert F. Service - I cristalli piezoelettrici per la loro proprietà di deformarsi sotto l’azione di un campo elettrico hanno molte applicazioni dagli aghi per fonografo ai microfoni telefonici. Ora ricercatori della Pennsylvania State University stanno realizzando materiali piezoelettrici con un effetto 10 volte più grande dei normali cristalli. Le proprietà piezoelettriche dipendono dalla posizione asimmetrica nel reticolo di cariche positive e negative che rispondono all’azione di un campo elettrico. Il nuovo materiale è una ceramica detta PZT perché costituita da piombo, zirgonio e titanio e contiene anche ossigeno; la sua deformazione arriva al 17%.
Science, 10 Jul 98, Vol. 281, pg. 246 - Yadong Li and Ytai Quian - Molti sforzi sono stati fatti per creare diamanti artificiali per le loro proprietà ottiche, durezza, conduttività termica, e per il comportamento come semiconduttore mediante drogaggio. I procedimenti trovati usano alte temperature e pressioni e si producono particelle sferiche con dimensioni dei nanometri. Diamanti di dimensioni micrometriche si ottengono con un processi idrotermico usando carbone, acqua ed un metallo a 800 °C e 1,4 kbar, ma sono necessari dei semi di diamante. Un nuovo procedimento è quello denominato di Chemical Vapor Deposition (CVD) che sintetizza un film policristallino di diamanti ed usa come sorgente di carbonio CH4 e C2H2. Il metodo di Reduction Pyrolysis Catalysis (RPC) usa invece il CCl4 e la riduzione mediante Na a 700 °C in presenza di un catalizzatore ed in autoclave per 48 ore. Le microfotografie mostrano che gli aggregati consistono in particelle di diamante di forma sferica. Il processo deve essere ancora migliorato cercando anche un catalizzatore più efficiente.
Science, 29 Jan 99, Vol. 283, pg. 614 - Alexander Hellemans - Il legame chimico che tiene gli atomi della molecola dell’acqua ha fatto molto discutere. Nel 1936 il premio Nobel Linus Pauling suggerì che nell’acqua e nel ghiaccio il solo legame di attrazione elettrostatica non era sufficiente a spiegare il comportamento della molecola e suppose la presenza del più forte legame covalente che veniva anche scambiato fra molecole vicine. Questa ipotesi è stata ora confermata dalla teoria quantistica e gli esperimenti con raggi X hanno mostrato che il legame è in parte elettrostatico ed in parte covalente. La misura è basata sullo scattering Compton, bombardando un piccolo cristallo di ghiaccio con fotoni ad alta energia e misurando l’energia riflessa per diversi orientamenti. Per un legame puramente elettrostatico l’energia riflessa è uguale in tutte le direzioni, per un legame covalente gli elettroni si comportano come un’onda quanto meccanica e la distribuzione dell’energia riflessa mostrerà frange di interferenza; ciò è proprio quello che è stato trovato.
Science, 19 Feb 99, Vol. 283, pg. 1125 - Gerard Ferey and Anthony K. Cheetham - I materiali porosi cristallini, come le zeoliti (alluminosilicati) sono molto usati in catalisi, estrazione e processi di scambio ioni. Le dimensioni dei pori sono tipicamente minori di 10 ċngström. Si cerca ora di realizzare nuovi materiali con pori più grandi sia cristallini che amorfi, inorganici o organici. Con i materiali cristallini una strategia è di assemblare 4 o10 strutture a tetraedro per realizzare un supertetraedro con fori più larghi. Più versatile è la strada di combinare metalli e polimeri organici perché vi sono molti più parametri da combinare e su cui agire. Con nuovi materiali sperimentali si sono ottenuti fori di 14,7 e 25,6 ċngström.
Science, 6 Sep 2002, Vol. 297, pg. 1657 - Ghan A. J. Amaratunga - Il carbonio puro forma due diversi materiali cristallini: il diamante in cui tutti i legami fra gli atomi sono uguali e la grafite in cui vi sono due diversi tipi di legame. Poiché il diamante è la forma a più alta energia esso è anche più raro della grafite. Il silicio ed il germanio hanno la stessa struttura del diamante, ma hanno una più bassa energia e non hanno forme cristalline come la grafite. La grafite non si presta per l’impiego nei circuiti elettronici perché è già un materiale conduttore mentre un materiale per i circuiti elettronici deve essere isolante e si deve poter controllare la sua conducibilità introducendovi tracce di impurità (drogaggio) per realizzare dei semiconduttori. In questo senso il diamante è un semiconduttore con caratteristiche ideali per massimo campo elettrico, velocità di saturazione, conducibilità termica ed intervallo fra le bande di conduzione. L’ostacolo maggiore è stato la difficoltà a sintetizzarlo nella sua forma pura e perfetta per l’elettronica. I diamanti naturali hanno troppi difetti ed impurità indipendentemente dal loro costo e dalla loro rarità. I wafer di silicio cristallino sono il materiale più puro che si conosca con una densità di difetti e di impurità da 10E-11 a 10E-12. La prima sintesi artificiale del diamante è stata realizzata nel 1955 sottoponendo la grafite ad alte pressioni e temperature (HPHT) in presenza di un catalizzatore; il metodo produce diamanti di dimensioni submicrometriche e submillimetriche usati per abrasivi e, sia per le dimensioni sia per difetti ed impurità, non erano utilizzabili per l’elettronica. Un metodo alternativo è stato quello di provocare la deposizione in fase di vapore da un plasma di idrocarbonio. La deposizione non produce però un singolo cristallo, ma tanti cristalli singoli da 1 a 10 micron diversamente orientati. Maggior successo si è avuto facendo accrescere il diamante su un supporto beta-SiC che ha un unico orientamento, ma è difficile da sintetizzare. Negli ultimi due anni si è tornati alla sintesi HPHT e si sono ottenuti diamanti di alta qualità di dimensioni di parecchi mm. Si è anche controllata la conducibilità del diamante incorporando atomi di boro che aumentano la concentrazione dei buchi (tipo-p) la cui mobilità è decisamente superiore a quella del silicio e del germanio con ottime prospettive per i dispositivi di alta potenza ed alta frequenza.
Science, 10 Jul 2009, Vol. 325, pg. 156 - Jamie J. Kruzic - Gli ingegneri che progettano le strutture devono indagare, quando i materiali cedono. Le strutture devono essere sovradimensionate (un ponte deve sopportare due volte il carico normale a cui sarà sottoposto), ma con il tempo, ripetendo i cicli di carico e scarico, si possono produrre dei difetti nel materiale che con il tempo lo portano alla rottura per fatica. Predire la rottura è più facile per i materiali duttili che per quelli fragili, tuttavia molti materiali relativamente fragili, come ceramiche moderne, materiali intermetallici e ibridi, combinazione di fragili e duttili, sono entrati nell’uso per la loro leggerezza e proprietà alla alte temperature, quindi sono necessari nuovi metodi per predire il loro comportamento a fatica. I modelli di rottura devono tenere conto del modo come i materiali si danneggiano a livello microscopico. I materiali duttili si deformano perché gli atomi si possono spostare nei grani del cristallo formando delle dislocazioni. Un filo metallico, che viene piegato più volte, produce troppe dislocazioni, diventa fragile e si rompe. Materiali intrinsecamente fragili tendono a rompersi improvvisamente, i loro atomi nel cristallo sono meno mobili e, anche se resistono alle forze di compressione meglio dei materiali duttili, tendono a rompersi invece di deformarsi. Facendo cadere a terra materiali fragili, non sempre si rompono e si può determinare statisticamente la loro probabilità di rottura. Materiali compositi, ceramiche avanzate e materiali intermetallici, tendono a rompersi con modalità intermedie e sono suscettibili di rottura a fatica nel tempo in modo diverso. La necessità di una accurata prevenzione della fatica ha portato alla sostituzione di tradizionali leghe metalliche in molte applicazioni con materiali compositi leggeri nelle strutture aeronautiche e a nuovi materiali ad alta temperatura nei motori. Questi nuovi materiali richiedono metodologie più sofisticate per predire la loro vita a fatica. Materiali da impianto per le ossa o i denti negli uomini sono oggi a base di zirconio che resistono alla propagazione delle fratture con una transizione di fase che espande la struttura cristallina e comprime la zona della frattura. Un altro modo di riparare la frattura è la migrazione di un ponte di materiale duttile vicino alle iniziali fratture, come si verifica nelle leghe ad alta temperatura Mo-Si-B usate nelle pale delle turbine. Bisogna saper predire se le iniziali fratture per fatica si arrestano durante il funzionamento ciclico o si accrescono fino alla rottura. La soglia di fatica è il livello di stress sotto il quale la lesione non si propaga nel funzionamento ciclico. Metodi diretti di verifica sono costosi e molto lunghi, metodi indiretti richiedono richiedono la creazione di un modello meccanico con cui agisce la fatica.