Keramika od 824 stupnja otvara tržište koje Europa neće posjedovati

Keramika koja podnosi 824 °C mogla bi promijeniti industrijske senzore — ali pitanje je čija će to biti tehnologija.

Znanstvenici su razvili novi način proizvodnje keramičkih materijala koji podnose ekstremne temperature i pritom zadržavaju električna i mehanička svojstva. Umjesto slaganja tankih slojeva, kako se to dosad radilo, istraživački tim zagrijao je materijal i pustio da se sam organizira iznutra. Rezultat je keramika s mrežom nanoskopskih područja različitog kemijskog sastava, tisućama puta manjih od ljudske dlake.

Materijal je bezolovni bizmut-ferit barij-titanat. Zagrijavanjem su se unutar kristalne rešetke stvorila područja bogata bizmutom i područja bogata barijem, a granice među njima generiraju lokalna električna polja i elastična naprezanja. Upravo ti unutarnji „šavovi” daju keramici svojstva koja su se dosad mogla dobiti samo u tankim filmovima, gdje se svaki sloj pažljivo inženjerski slaže.

Najzanimljiviji podatak je Curieova temperatura od 824 °C, više od 350 °C iznad početnog materijala. Riječ je o granici iznad koje materijal gubi piezoelektrična svojstva, pa svaki pomak prema gore otvara prostor za primjenu tamo gdje konvencionalna keramika otkazuje — u visokotemperaturnim senzorima, ultrazvučnim pretvaračima i aktuatorima u industriji.

Što su istraživači zapravo napravili

Tim je koristio mikroskopiju atomske rezolucije, spektroskopiju i računalno modeliranje kako bi pokazao da toplinska obrada pokreće razdvajanje elemenata na nanoskali unutar koherentne kristalne rešetke. Dodatno su demonstrirali i programirljivo ferolektrično ponašanje: kombinacijom električnog ili mehaničkog uvjetovanja s toplinskim starenjem u materijal se „upisuju” željene domenske konfiguracije, koje ostaju obnovljive i nakon primjene jakih električnih polja.

U jednoj konfiguraciji postignute su velike reverzibilne smične deformacije, korisne za aktuatore. Zabilježena su i unutarnja prednaponska polja iznad 8 MV/m, znatno viša od uobičajenih vrijednosti u klasičnim masivnim feroelektricima.

Rad se nastavlja na otprilike desetljeće istraživanja bezolovnih piezoelektričnih keramika na Sveučilištu u Manchesteru. Materijal i postupak proizvodnje već su zaštićeni intelektualnim vlasništvom, a tim radi na prijenosu tehnologije u industriju. U istraživanju su sudjelovali i znanstvenici sa ShanghaiTech University, Kineske akademije znanosti, Diamond Light Sourcea, Sveučilišta u Leedsu i Sheffield Hallam Universityja.

„Umjesto da se fokusiramo isključivo na promjenu sastava, možemo koristiti kontroliranu samoorganizaciju na nanoskali da ugradimo novu funkcionalnost izravno u materijal”, rekao je David Hall, docent za keramiku na Manchesteru, dodajući da bi se koncept mogao primijeniti na širi raspon feroičnih materijala.

Zašto je pitanje vlasništva važnije od same znanosti

Ovo je dobra vijest za materijalnu znanost i loša vijest za svakoga tko se nada da će Europa zadržati proizvodnju. Bezolovna keramika rješava stvarni problem — olovo u piezoelektricima je toksično i pod pritiskom je regulatornih zabrana — a temperaturna granica od 824 °C nije marginalno poboljšanje. To je skok koji otvara nova tržišta.

Drugo pitanje koje izvor ne postavlja: koliko je ovakvo „samoorganizirajuće” inženjerstvo materijala predvidivo u masovnoj proizvodnji? Nanoskopska razdvajanja elemenata unutar keramike lijepo izgledaju na mikroskopu atomske rezolucije, ali svaka peć u tvornici ima svoje toplinske gradijente i svoju nečistoću u sirovinama. Desetljeće istraživanja i zaštita IP-a sugeriraju da je put do komercijalizacije tek počeo.

Treće: materijal je bezolovni, što je ekološki poželjno, ali zamjena olova u piezoelektricima nije samo ekološka mjera — to je i pitanje neovisnosti opskrbnog lanca. Kina kontrolira velik dio svjetske proizvodnje i prerade rijetkih i kritičnih materijala, uključujući bizmut. Ako Europa želi autonomiju u senzorima i aktuatorima, mora razmišljati i o tome odakle dolazi sirovina, a ne samo o tome kako se keramika peče.

Zaključak je jednostavan. Znanost je napravila korak naprijed, a industrijska geografija tog koraka nije se promijenila. Onaj tko danas drži peć i patent, sutra drži i tržište.