Il surriscaldamento accidentale di una fornace per l’ottenimento del vetro portò alla scoperta di un nuovo materiale che fu detto vetroceramica. Non è la prima né l’ultima volta che una scoperta avviene in modo del tutto casuale e anche questo è il fascino della chimica.
Fu infatti nel 1952 che l’inventore statunitense Stanley Donald Stookey, verificando le caratteristiche del vetro, per il cattivo funzionamento del termostato che fece innalzare la temperatura a oltre 1000°C, trovò il manufatto ricoperto di un sottile strato di polvere bianca e notò che il materiale non mostrava la fragilità tipica del vetro.
Fu così che nacquero le vetroceramiche materiali policristallini a grana fine che hanno proprietà comuni sia ai vetri che alle ceramiche in quanto hanno una fase amorfa e una o una o più fasi cristalline ottenute da una cristallizzazione controllata.
Vetro
Il vetro è un liquido ad alta viscosità, amorfo, rigido trasparente ed omogeneo ottenuto per lento raffreddamento di silicati fusi. Il vetro è trasparente e duro ma fragile e tende a rompersi in frammenti taglienti. Le ceramiche vengono definite come materiali solidi inorganici non metallici duttili allo stato naturale e rigide dopo la fase di cottura. Hanno proprietà caratteristiche quali durezza, resistenza, bassa conducibilità elettrica, fragilità, resistenza alla alte temperature più dei metalli e dei polimeri.
Preparazione della vetroceramica
Il primo passo verso l’ottenimento della vetroceramica comporta le tecniche convenzionali per la preparazione del vetro. Il vetro è dapprima raffreddato e successivamente riscaldato ad una temperatura di 750-1150 °C: tale trattamento comporta una parziale cristallizzazione del vetro.
Una vetroceramica contiene almeno il 50% di struttura cristallina e, in taluni casi essa può raggiungere il 95%
Nella maggior parte dei casi vengono aggiunte alla composizione di base della vetroceramica agenti nucleanti che facilitano e controllano il processo di cristallizzazione.
La cristallizzazione o devetrificazione del vetro per ottenere una vetroceramica è una trasformazione eterogenea che consiste di due stadi detti rispettivamente nucleazione e accrescimento.
Durante la nucleazione, per l’aggiunta di specie cristalline che sono insolubili nella massa vetrosa come metalli ( Au, Ag, Pt o Pd) o non metalli ( TiO2, P2O5) si formano piccole quantità di prodotto cristallino mentre nel corso dell’accrescimento il materiale è riscaldato ad una temperatura che assicura la crescita dei nuclei.
Tipi di vetroceramica
Vi sono, a seconda della composizione, vari tipi di vetroceramica a cui sono legate le proprietà e quindi gli usi specifici.
Tra i più importanti tipi di vetroceramiche si hanno:
Li2O·Al2O3·n SiO2 (LAS) resistenti agli shock termici; fattori di dilatazione termica nulli e elevate proprietà chimico-meccaniche
MgO·Al2O3·n SiO2 (MAS) elevata resistenza meccanica ad alte temperature
ZnO·Al2O3·n SiO2 (ZAS) utilizzate nel settore meccanico
Proprietà
In generale le vetroceramiche sono caratterizzate da elevata resistenza meccanica, elevata resistenza al calore e alle sostanze corrosive, indeformabilità fino alla temperatura di 600-700 °C, alta tenacità, assenza di porosità, bassissimo coefficiente di dilatazione termica, tenacità e rigidezza.
Per le sue proprietà la vetroceramica è utilizzata per gli usi più svariati ovvero nel campo edile, biomedico, elettronico, ingegneristico e come complemento di arredo.
Le vetroceramiche trovano utilizzo in campo odontoiatrico per le ricostruzioni dentarie con massimi criteri estetici: le corone in vetroceramica sono infatti, attualmente, la migliore scelta nell’ambito della stomatologia moderna.
Un altro uso della vetroceramica è costituito dai piani di cottura in vetroceramica particolarmente diffusi nel nord Europa che, pur comportando un costo di gestione più alto rispetto ai piani cottura a gas, essendo alimentati a corrente elettrica eliminano i rischi del gas.
Nel campo dell’ottica le vetroceramiche trasparenti sono usate per ottenere lenti per telescopi, celle solari, cristalli liquidi per gli schermi dei monitor e ottica di precisione.