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Ceramiche che resistono in situazioni «stressanti»

Gli ultimi decenni hanno visto l’infiltrazione delle ceramiche praticamente in ogni campo, dall’ingegneria alla biomedicina, con benefici che includono un’eccellente durezza, isolamento elettrico e resistenza ad ambienti chimici o termici aggressivi. I rivoluzionari compositi ceramici deformabili hanno superato l’ultima frontiera: la fragilità.

Tecnologie industriali

Le ceramiche e i metalli vengono usati dall’uomo da migliaia di anni per realizzare oggetti, da vasi e strumenti a componenti strutturali. In genere pensiamo che i metalli siano più durevoli e le ceramiche più fragili, ma i materiali ceramici sono molto duri e resistenti in situazioni di compressione. Tuttavia sono fragili, il che significa che sono scarsamente deformabili e quindi possono rompersi all’improvviso. I metalli, invece, sono malleabili e duttili: possono essere pressati o tirati in varie forme senza rompersi. Il progetto SISCERA, finanziato dall’UE, ha livellato queste condizioni, portando sul mercato le prime ceramiche al mondo con una plasticità prevedibile indotta dalla trasformazione.

Sapere quando fermarsi

I difetti critici distribuiti in modo casuale nella ceramica durante la produzione sono all’origine della sua fragilità e quindi delle rotture. I vantaggi dell’uso di una ceramica sono spesso controbilanciati dalla necessità di ridurre la presenza di difetti attraverso costose e lunghe procedure di produzione e di convalida. Grazie ai compositi ceramici di SISCERA, le rotture sono ridotte al minimo e molto più prevedibili. Il coordinatore di SISCERA Nicolas Courtois di Anthogyr spiega: «I nostri compositi ceramici sono unici perché possono essere deformati in modo significativo prima di rompersi a un livello di stress definito e regolabile. Inoltre, la rottura non è legata a difetti, il che rende appropriati i metodi convenzionali di progettazione e lavorazione e quindi ne semplifica l’adozione da parte dei progettisti, aumentando al contempo il valore aggiunto della ceramica. Presi insieme, i nostri innovativi compositi ceramici combinano i vantaggi dei metalli con i vantaggi delle ceramiche, come la stabilità chimica, l’inerzia e la resistenza all’usura e all’abrasione». Ciò significa che possono rappresentare un’alternativa interessante ai metalli per molte applicazioni ingegneristiche.

Dalle ossa all’industria e ai beni di consumo

Jérôme Chevalier, vicedirettore della ricerca presso l’INSA di Lione e responsabile dell’area Salute e bioingegneria, afferma: «All’inizio del progetto, siamo stati costretti a ricalibrare lo sviluppo per soddisfare le nuove prospettive di progettazione. Grazie a questa sfida iniziale, abbiamo fornito un “portafoglio” di materiali che può essere adattato all’applicazione, piuttosto che la soluzione unica che avevamo pianificato all’inizio». Il mercato primario a cui si rivolgeva il gruppo responsabile di SISCERA era quello degli impianti biomedicali, in particolare dove è auspicabile l’osteointegrazione, come nel caso degli impianti dentali e articolari. Il gruppo ha seguito un approccio razionale «material-by-design» per soddisfare i requisiti specifici di un impianto dentale, come la resistenza, la tenacità, la stabilità e la modifica della superficie. Le ceramiche dimostrano una migliore osteointegrazione: i risultati hanno dimostrato che la combinazione di materiale e modifica della superficie supera le prestazioni delle attuali superfici implantari in titanio, consentendo agli impianti di stabilire più velocemente una più forte adesione all’osso, due volte più resistente dopo quattro settimane. L’impianto dentale è ora entrato nella fase di validazione preclinica. Secondo Courtois e Chevalier, ci sono ancora molti usi da scoprire per questi materiali unici. «Proprio alla fine del progetto abbiamo dimostrato che la trasformazione plastica era reversibile. In questo senso, abbiamo un materiale ceramico che conserva l’impronta della forma», aggiungono. Un composito ceramico è già disponibile per l’uso industriale ed è attualmente in fase di test una potenziale applicazione su larga scala nei beni di consumo. Queste rivoluzionarie ceramiche composite che si deformano in modo significativo senza rompersi saranno una svolta nelle applicazioni dalla biomedicina all’ingegneria.

Parole chiave

SISCERA, ceramica, metalli, compositi, impianto dentale, osteointegrazione, fragilità, deformabile, impronta della forma, plasticità

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