I diamanti sono conosciuti per la loro straordinaria durezza, ma questa caratteristica non li rende necessariamente resistenti agli urti. Nonostante siano difficili da graffiare, possono infatti rompersi se sottoposti a sollecitazioni sufficientemente intense. Un gruppo di ricercatori cinesi potrebbe aver trovato una soluzione a questo limite. Un nuovo composito di diamante capace di raggiungere una resistenza alla frattura circa cinque volte superiore rispetto a quella di un diamante monocristallino, senza rinunciare alla sua durezza.
Il risultato, ottenuto attraverso l’impiego di nanotubi di carbonio, apre nuove prospettive per lo sviluppo di materiali superduri destinati ad applicazioni industriali particolarmente impegnative.
Nanotubi di carbonio per rendere i diamanti più resistenti
La ricerca è stata condotta dagli scienziati dell’Institute of Physics della Chinese Academy of Sciences e della Beihang University, con la collaborazione di altre università e laboratori cinesi. Lo studio è stato pubblicato a luglio sulla rivista scientifica Nature Synthesis.
La novità consiste nell’aver trovato un modo per aumentare la tenacità del diamante senza comprometterne la durezza. Un problema che da tempo rappresenta una sfida per la comunità scientifica, soprattutto perché i precedenti tentativi si erano concentrati principalmente sulla modifica della struttura interna del materiale.
In questo caso, invece di creare una nuova tipologia di diamante, i ricercatori sono partiti da polvere di diamante, rinforzandola con nanotubi di carbonio a parete multipla. Questi ultimi sono stati inseriti negli spazi presenti tra i singoli grani del diamante. Le loro dimensioni sono estremamente ridotte: ciascun nanotubo ha un diametro pari a circa un decimillesimo dello spessore di un capello umano.
Il processo di produzione e i risultati dei test
Una volta preparata la miscela, il materiale è stato sottoposto a condizioni particolarmente estreme: una temperatura di 2.000 gradi Celsius e una pressione di 15 gigapascal (GPa).
Il trattamento ha permesso ai nanotubi di carbonio di legarsi ai grani di diamante a livello atomico, formando una rete tridimensionale distribuita all’interno dell’intero composito. È proprio questa struttura a fare la differenza quando il materiale viene sottoposto a sollecitazioni meccaniche.
I test hanno restituito una durezza di circa 91,6 GPa, un valore che colloca il nuovo composito nella stessa fascia del diamante monocristallino. La vera innovazione riguarda però la tenacità alla frattura, che ha raggiunto una media di 31,9 MPa·m½.
Quando si forma una crepa, infatti, i nanotubi contribuiscono a deviarne il percorso e a mantenere unite le due superfici che tenderebbero a separarsi. In questo modo viene assorbita una parte significativa dell’energia associata alla propagazione della frattura, rendendo molto più difficile la rottura del materiale.
Il nuovo composito supera anche le leghe di tungsteno
Per comprendere la portata del risultato, basta confrontarlo con un altro materiale utilizzato in applicazioni industriali particolarmente impegnative: il tungsteno. Secondo BGR, nelle prove effettuate dai ricercatori, una lega di questo metallo ha raggiunto una tenacità alla frattura di 25,6 MPa·m½, contro i 31,9 MPa·m½ registrati dal nuovo composito di diamante.
Si tratta di un confronto significativo, considerando che il tungsteno viene impiegato anche in ambienti estremi, come i reattori a fusione nucleare. Il progetto internazionale ITER, ad esempio, ha scelto questo metallo per il proprio divertore grazie al suo punto di fusione, il più elevato tra quelli dei metalli.
Per il momento, gli scienziati hanno indicato alcune possibili applicazioni del nuovo materiale, tra cui utensili superduri di nuova generazione e materiali resistenti agli impatti. Non sono state invece ancora specificate ulteriori destinazioni commerciali o industriali.
