Ossidi di terre rare per ottenere superfici idrorepellenti

Le superfici che effondono acqua e che si mostrano resistenti in condizioni drastiche potrebbero rivelarsi utili in molte applicazioni industriali tra cui quello energetico, dei trasporti, delle costruzioni e in campo medico. La condensazione dell’acqua è una fase cruciale di molti processi industriali e i condensatori si ritrovano in molti impianti elettrici e in impianti di desalinizzazione.

I materiali idrofobi ovvero quei materiali che inibiscono all’acqua di diffondersi su una superficie, provocando la formazione di goccioline che ricadono, possono accrescere notevolmente l’efficienza di questo processo. Tali materiali, tuttavia, mostrano un grosso problema in quanto la maggior parte di essi è costituito da rivestimenti polimerici che si degradano a seguito di riscaldamento e vengono deteriorati dall’usura.

I ricercatori del MIT hanno messo a punto una nuova classe di ceramiche idrofobiche in grado di superare tali problemi. Tali materiali ceramici sono altamente idrofobici e risultano durevoli anche a temperature estreme e a condizioni drastiche. Il lavoro è stato pubblicato sul Nature Materials a seguito degli studi effettuati dall’ingegnere Azimi e dai suoi collaboratori. La durevolezza dei materiali idrofobici è da sempre stato un problema che i ricercatori del MIT sembra abbiano risolto.

Le ceramiche sono altamente resistenti anche a temperature estreme, ma tendono ad essere idrofile piuttosto che idrofobe. Ebbene, gli scienziati del MIT hanno deciso di realizzare ceramiche utilizzando le peculiarità di alcuni elementi dei quali la sola configurazione elettronica  rende idrofobi i materiali: i cosiddetti metalli delle terre rare che sono noti anche come lantanidi.

La serie dei lantanidi è costituita da 15 elementi : La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu in cui gli orbitali 4f risultano parzialmente o totalmente riempiti mentre gli orbitali p e d più esterni risultano completamente vuoti. Tutti i metalli delle terre rare hanno proprietà chimico-fisiche analoghe e pertanto i team del MIT ha ipotizzato che tutti gli ossidi avessero proprietà simili nelle loro interazioni con l’acqua e pertanto hanno volto la loro attenzione allo studio sistematico a tutta la serie degli ossidi delle terre rare. Al fine di verificare la loro ipotesi hanno usato gli ossidi di tali elementi in polvere compattandoli in pellets e riscaldandoli fino a raggiungere quasi i rispettivi punti di fusione nel corso di una sinterizzazione.

Dopo aver testato le proprietà di 13 ossidi hanno rilevato le loro forti e intrinseche proprietà idrofobiche come era stato previsto. Le loro proprietà bagnanti di  tali ossidi delle terre rare  non erano mai state studiate e molte delle proprietà dell’intera serie non erano mai state documentate sistematicamente in letteratura. Lo studio effettuato fornisce una serie di molte delle proprietà di tali composti quali la loro morfologia , la struttura cristallografica, la struttura granulare, la temperatura di sinterizzazione e la densità e dà una serie di informazioni relative al loro utilizzo. Inoltre i ricercatori del MIT hanno dimostrato che tali materiali esibiscono una durezza maggiore rispetto a molti altri abitualmente usati nell’industria. Contrariamente al loro nome, i metalli delle terre rare non sono particolarmente rari infatti alcuni tra loro hanno la stessa abbondanza del nichel e del rame che vengono largamente usati. Tuttavia la separazione dei metalli delle terre rare dai loro minerali è costosa e si possono avere residui tossici cosicché il loro ottenimento è piuttosto limitato. Attualmente la Cina è il maggior fornitore al mondo di tali elementi che hanno molte applicazione nella alta tecnologia.

Le forme ceramiche di tali ossidi possono trovare utilizzo come rivestimenti di diversi substrati  e, a causa della loro idrofobicità,  che costituisce una proprietà intrinseca anche se vengono danneggiati mantengono tale caratteristica. Per provare la loro tesi, i ricercatori hanno esposto talune di queste ceramiche a un ambiente di vapore analogo a quello presente in una centrale elettrica. Mentre i polimeri abitualmente usati per le loro proprietà idrofobiche, nelle stesse condizioni, si degradano rapidamente le ceramiche mantengono inalterate le loro proprietà idrofobiche anche se sottoposte ad abrasione alla temperatura di  1000 °C  fornendo durevoli superfici superidrofobiche  e possono essere ottenute mediante processi preesistenti  il che consente l’utilizzo di impianti già in uso. Le proprietà evidenziate, unitamente alla durevolezza di tali materiali, li rende fruibili in molte applicazioni come, ad esempio, nelle turbine a vapore e nei motori aerei per cui ci si aspetta un forte impatto sulla futura tecnologia.

Tale lavoro esce fuori dai precedenti schemi che si erano concentrati sull’ottenimento di materiali resistenti senza focalizzare l’attenzione alle proprietà intrinseche della materia.

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Author: Chimicamo

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