Science, 25 Feb 94, Vol. 263, pg. 1114 - Brian R. Lawn - Le ceramiche, considerate il materiale del futuro, sono notoriamente fragili e soggette a rotture catastrofiche perché non sono capaci di assorbire energia meccanica. Tuttavia si stanno studiando ceramiche capaci di deformazioni irreversibili distribuite che portano ad un comportamento di duttilità. Si formano delle microfratture distribuite invece di macrofratture che si propagano. I materiali usati sono a base di silicon-carbide in piccole sfere o con incorporato Yttrium-aluminium-garnet e con un trattamento termico controllato.
Science, 6 May 94, Vol. 264, pg. 794 - Anthony K. Cheetham - La scienza dei materiali si sta interessando a composti della chimica inorganica complessi le cui strutture presentano particolari proprietà che possono essere ottimizzate o variando le distanze interatomiche, introducendo dei cationi con raggio ionico selezionato, o il grado di covalenza, con la scelta degli elementi costituenti, o le proprietà elettroniche, variando gli stati di ossidazione di alcuni componenti chiave. Importanti esempi sono gli ossidi binari del ferro, come x-Fe2O3 usati largamente per memorie magnetiche, composti con ZnS usati nei rivelatori a scintillazione e nei tubi a raggi catodici, quelli con TiO2 usati come pigmenti nelle venici e quelli con MoS2 usati nei lubrificanti, i cuprati superconduttori studiati a partire dal 1987, come HgBa2Ca2Cu3O8 con una temperatura critica di 155 K, la perovskite antiferroelettrica tipo (Pb,La)(Sn,Zr,Ti)O3 usata per attuatori meccanici piezoelettrici. Fra i materiali ottici ci sono i composti drogati Nd di Yttrium-aluminium-garnet usati per laser infrarossi ed i composti tipo KTiOPO4(KTP) usati per duplicatori di frequenza e per guide d’onda ottiche. Un’altra classe di materiali speciali e quella a struttura microporosa come le zeoliti con AlPO4 e SiO4 con funzioni catalitiche regolabili e per la sintesi di ceramiche ad alte prestazioni. Si ricordano inoltre le hydriti metalliche come (LaNi5Hx) per accumulatori elettrici.
Science, 27 Oct 95, Vol. 270, pg. 590 - J. R. Dahn - Esistono centinaia di tipi di carbone naturali e sintetici: grafite, carboni attivi, carboni di fibre, coke e preparati per pirolisi. Tutti questi tipi di carbone reagiscono con il litio assorbendolo in modo reversibile e possono essere usati come elettrodo negativo di batterie a ioni di litio. La ricerca tende a trovare il tipo di carbone che assorbe la maggiore quantità di litio per unità di massa. I meccanismi di assorbimento sono diversi per i vari tipi di carbonio. La grafite può intercalare un atomo di litio ogni 6 atomi di carbonio a temperatura ambiente, ma forze di repulsione fra ioni di litio impediscono che questo venga assorbito in strati adiacenti di carbonio. Nei carboni ottenuti per pirolisi che contengono idrogeno il litio assorbito è in proporzione al contenuto di idrogeno, ma la tensione fornita mostra grandi isteresi. Altri carboni pirolitici costituiti da singoli strati con micropori assorbono litio da ambedue le facce con un rapporto Li/C di 1/3.
Science, 20 Sep 96, Vol. 273, pg. 1675 - A. P. Sokolov - I vetri si formano dai liquidi per raffreddamento e questa è un proprietà generale dei liquidi che possono essere formati anche da composti organici o inorganici. Tuttavia la natura della transizione da liquido a vetro non è stata ben compresa, ma è fondamentalmente regolata dalla mode-coupling theory (MCT). Sopra la temperatura di transizione a vetro Tg, esiste una temperature di crossover Tc alla quale cambia significativamente la dinamica del liquido e queste due temperature sono abbastanza vicine: Tc = 1,15 Tg o = 1,2 Tc. Dopo la Tc il tempo di rilassamento può cambiare rapidamente fino a 10 ordini di grandezza e lo spettro di eccitazione presenta un contributo anarmonico. Macromolecole biologiche, come proteine e DNA, mostrano molte similitudini con i vetri.
Science, 15 May 98, Vol. 280, pg. 1099 - Gerbrand Ceder - Il sogno dei ricercatori di nuovi materiali è quello di progettarli sulla carta ottimizzano composizione e processi per ottenere certe prestazioni. In principio ciò è possibile perché le proprietà dei materiali sono determinate dagli atomi costituenti e dalle leggi della fisica e questo viene indicato come il “primo principio”. Così sono stati ottenuti nuovi materiali magneto-ottici per registratori. Ora lo stesso principio viene applicato nella ricerca di nuovi catodi per le batterie ricaricabili al litio. L’attuale catodo costituito da LixCoO2 è estremamente costoso e si stanno cercando altri ossidi metallici che sostituiscano il Co lasciando alta la tensione. L’applicazione del “primo principio” richiede la soluzione dell’equazione di Schrödinger applicata a più particelle. L’equazione non è risolubile esattamente, ma sono state sviluppate delle buone approssimazioni quantitative. Le proprietà che si studiano sono di tipo elettronico e termodinamico, ma vanno correlate con quelle di tipo macroscopico e tecnologico e questo è il passo più difficile e rischioso come quando è stato previsto che composti come C3N4 e Si3N4 potessero essere più duri del diamante; in questo caso si era ottimizzata la rigidezza del materiale che non è il migliore indicatore della sua durezza. L’esperienza tuttavia affina i metodi di simulazione e rende sempre più efficienti le previsioni teoriche.
Science, 16 May 2003, Vol. 300, pg. 1104 - Michael D. Ward - Una futura economia basata sull’idrogeno richiede nuovi sistemi di trasposto ed immagazzinaggio di questo combustibile. Una nuova tecnologia è quella di usare strutture porose di compositi metallici ed organici detti MOF (Metal Organic Framework) capaci di assorbire l’idrogeno. Sono noti i vantaggi dell’idrogeno: il suo contenuto di energia è tre volte quello degli idrocarburi a parità di peso, può reagire con l’ossigeno bruciando o combinandosi in una fuel cell per produrre elettricità ed il solo prodotto è l’acqua. Va solo risolto il problema di una produzione senza conseguenze per l’ambiente e sistemi sicuri e semplici di trasporto ed immagazzinaggio. Da qui la ricerca di materiali capaci di sequestrare l’idrogeno a bassa pressione ed a temperatura ambiente. Molte leghe assorbono idrogeno sotto forma di hidridi come LaNi5, ma sono pesanti e la loro capacità è solo del 2% in peso. L’obiettivo posto dal Department of Energy USA è del 6,5% in peso. Altre leghe sono più leggere ed hanno maggiori capacità, ma la formazione degli hidridi è lenta ed irreversibile. Fra i metodi di accumulazione dell’idrogeno si è pensato anche ai nanotubi di carbonio (Single Walled NanoTubes o SWNT), ma ci sono troppe difficoltà. I nuovi materiali MOF hanno una struttura consistente in gruppi di (OZn4)+ assiemati a formare una struttura a cubo e collegati da composti organici. Con un legame formato da naftalene si è ottenuto un assorbimento di idrogeno del 2% indefinitamente reversibile. Si è visto che l’idrogeno si lega prima ai gruppi (OZn4)+ agli spigoli del cubo e quindi ai composti organici di collegamento a più alte pressioni. Si tratta ora di vedere se i MOF possono raggiungere gli assorbimenti pratici richiesti, ma la loro architettura si presta anche ad un processo di ingegnerizzazione e l’esperienza ottenuta potrebbe indicare nuovi meccanismi per progettare materiali migliori.
Science, 18 Aug 2006, Vol. 313, pg. 902 - Robert F. Service - L’alimentazione di computer laptop e delle automobili ibride richiede batterie speciali e dispositivi capaci di fornire rapidi picchi di energia. A questo provvedono i supercondensatori che recentemente hanno subito notevoli progressi. Ricercatori in USA ed in Francia hanno pubblicato gli ultimi risultati che hanno incrementato del 50% la carica elettrica di supercondensatori controllando la struttura su scala nanometrica del materiale a base di carbone. Una capacità tipicamente contiene una coppia di elettrodi in un elettrolito; quando viene applicata una tensione fra i due elettrodi, gli ioni di segno opposto si fermano a ciascun elettrodo e vi rimangono anche quando si stacca la tensione applicata; collegando poi i due elettrodi con un conduttore, fluisce una corrente per neutralizzare la carica accumulata. Il carbone è stato il materiale base per i supercondensatori perché conduce l’elettricità, è leggero ed ha una struttura spugnosa. Più piccoli sono i pori, più grande è la superficie e più grande è la carica che la capacità può accumulare. I ricercatori hanno pensato per lungo tempo che, se i pori del carbone fossero stati troppo piccoli, gli ioni dell’elettrolito non sarebbero stati capaci di entrarvi e questo limite si supponeva fosse di un nanometro (miliardesimo di metro). Con fori più piccoli la capacità si sarebbe ridotta drasticamente, ma questo fatto non era stato mai provato. Un team dell’università di Philadelphia, Pennsylvania, ha utilizzato un composto a base di metalcarbide, formato da un miscuglio di un metallo come il titanio e di carbone. Il composto è stato riscaldato in una fornace ed esposto ad un gas di cloro che ha reagito con il metallo formando un composto volatile che si è separato dal composto lasciandolo pieno di vuoti. Controllando la temperatura del processo i ricercatori hanno trovato che si potevano calibrare i fori nel carbone da 0,6 a 2,25 nanometri di diametro. Misurando la capacità di accumulo di carica con i pori da 0,6 nanometri si sono ottenute capacità 50% più grandi a parità di volume. Sembra che gli ioni riescono ad introdursi nei fori più piccoli anche se il come rimanga un mistero, ma una spiegazione si troverà.
Science, 21 Dec 2007, Vol. 318, pg. 1880 - Michael L. Falk - Per esperienza il vetro è un materiale duro e fragile, ma scaldandolo si può deformare a volontà. Ci si chiede perché a temperatura ambiente non si deforma e non scorre come un liquido. Sono stati fatti esperimenti con sistemi composti da colloidi, particelle più piccole del diametro di un capello umano sospesi in una soluzione. Infatti anche i vetri possono essere fatti con quasi tutti i tipi di materiali, incluse le plastiche e persino i metalli. Il vetro può essere definito per quello che non è: non è un cristallo ordinato. La maggior parte dei materiali solidi sono cristalli con una struttura ripetitiva da cui derivano le proprietà elettriche, meccaniche, termiche ed ottiche. La struttura dei solidi cristallini si forma da un liquido che si raffredda e gli atomi si aggregano ottimizzando la loro disposizione e formando un piccolo cristallo che cresce per formare il materiale finale. Al contrario i vetri sono un modello di disordine e, quando il vetro si raffredda, gli atomi mantengono lo stesso disordine che hanno nel liquido. Il moto degli atomi rallenta formando un materiale solido come gli altri, ma senza un ordine strutturale e per questo il vetro è detto materiale amorfo (senza forma). Tuttavia la recente indagine ha dimostrato che hanno una loro unica struttura che, pur essendo simile a quella di un liquido, non scorre come un liquido. Anche i cristalli non scorrono, ma se si applicano delle forze, il loro reticolo si deforma formando delle dislocazioni e queste permettono uno scorrimento cambiando la forma del solido. Nel vetro ci sono dei difetti che possono agire come dislocazioni. Nel 1977 è stato teorizzato che i difetti sono responsabili della plasticità del vetro. Le dislocazioni dei cristalli possono esser visualizzate mediante il microscopio elettronico a trasmissione, ma questa tecnica è più difficile con i vetri. Si è proposto, più di recente, che nei vetri si formano delle regioni modificate (shear transformation) con maggiore disordine strutturale, sensibili alla pressione. Questo è stato confermato nei sistemi colloidali ed è un fenomeno irreversibile e attivato termicamente in presenza di uno stress. Questo modello spiega deformabilità e fragilità di nuovi materiali come i vetri metallici che hanno un processo di raffreddamento così rapido che possono essere realizzati solo in nastri prodotti per molte applicazioni. I vetri metallici sono eccezionalmente robusti ed elastici, ma appena si supera il limite di resistenza, si rompono in maniera catastrofica. Questa teoria apre la strada a nuovi materiali che sfruttano il disordine inerente dei vetri.