Plastična keramika – nalik na kovinu

Može li se keramika staviti ispod preše a da ne pukne – nego se sabije i savije? Može, može, samo da ne bude obična keramika i da ne bude obična specijalna keramika.

Nenad Raos subota, 12. studenog 2022. u 05:00

Znate li koji su tehnički izum Grci jako, ako ne i najviše cijenili, toliko cijenili da su ga pripisivali nekom od prvih filozofa (ne sjećam se više kojem)? Nije to bio nikakav stroj, bojna kola, luk, strelica, mlinski kamen ili nešto tome slično nego – dječja zvečka. Zašto baš zvečka?

Zato, govoraše Grci u davnini, jer se djeca, otkad imaju zvečku, igraju zvečkom umjesto da lupaju po zdjelama i loncima. Možete li zamisliti jad i muku mladih starogrčkih roditelja s petero-šestero sitne dječice koja skaču po kući i lupaju, lupaju, lupaju po loncima – dok ih ne razlupaju. Sigurno je svaki tjedan, ako ne i svaki dan pokoji pukao, jer se tada sve držalo u zemljanim, pravo rečeno keramičkim posudama (keramika je grčka riječ!), od ulja i pšenice u amforama do pepela pokojnika u urnama. Čak i kad bi pukao, lonac bi za dobro poslužio jer su Grci na krhtinama keramike pisali. (Neki se autor potužio da je morao sve lonce u kući razbiti da bi napisao knjigu.)

 No ipak nam ne treba ići tako daleko u prošlost da bismo znali: keramika je vrlo krhak, vrlo loman materijal.

To je točno, jer se keramika nije promijenila od davnina: lonci i cigle peku se danas isto onako kako se pekle u Ateni, Rimu i Babilonu, pa ipak keramika nekoć nije isto što i keramika danas – ako ne mislimo samo na ciglu i crijep. Stara se keramika proizvodila termičkom obradom minerala gline, poglavito kaolinita, dakle alumosilikata, dok su suvremene keramike ionski (ZrO2) ili kovalentni spojevi (Si3N4), a to su kemijski i ne samo kemijski različite tvari. 

Spomenuti silicijev nitrid, Si3N4, danas se naveliko koristi u automobilskoj industriji, za izradu motora, ali ne samo u automobilskoj industriji. Mnogo se primjenjuje u elektronici, a od tog su keramičkog materijala (kovalentne keramike) izrađeni, između ostalog, i minijaturni poklopci na spektroskopu svemirskog infracrvenog teleskopa James Webb. I to s dobrim razlogom: silicijev nitrid je materijal male gustoće i velike tvrdoće (8,5 po Mohsu, dakle skoro kao dijamant), koji je usto otporan na visoke temperature i korozivne kemikalije, a ne može ni, poput metala, korodirati.

Metali su međutim kovine, a keramika – ma koje god kemijske građe bila – to ipak nije. Kovine se mogu, samo ime kaže, kovati, plastično deformirati. Keramika to ne može, ona pod pritiskom puca. Uzrok tome su kovalentne veze koje drže njezine atome, pa kad one pod pritiskom puknu, u materijalu nastaju pukotine, umjesto da, kao kod metala, jedan sloj atoma klizi preko drugoga.

No evo novosti objavljene prije mjesec dana u časopisu Science: kineski su znanstvenici priredili kovalentnu  keramiku (Si3N4) koja može izdržati 11 GPa, dva i po puta veći tlak od običnog silicijeva nitrida, zahvaljujući tome što podliježe plastičnoj deformaciji. O čemu je riječ saznajemo iz naslova: „Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces“.

Uspjeh kineskih znanstvenika ne bi bio moguć da se silicijev nitrid ne pojavljuje u dvije kristalne modifikacije, α-Si3N4 i ß-Si3N4, koje se razlikuju po orijentaciji teraedara NSi3. Kad jedna modifikacija prelazi u drugu, na mjestima njihova dodira dolazi do kidanja kovalentnih veza („bond switching at coherent interfaces“), a time i do nastajanja klizne plohe koja omogućuje plastičnu deformaciju. No kako postići da jedna kristalna modifikacija prijeđe u drugu?

Odgovor je pomalo neočekivan: to se postiže tlačenjem – no to opet ne znači da je silicijev nitrid plastičan samo po sebi (jer da je tako onda ovo ne bi bilo nikakvo otkriće). ß-Si3N4 može pri tlaku od 35 GPa potpuno (100%) prijeći u α-Si3N4, ali samo ako ga već sadrži. Stoga možemo reći da je α-Si3N4 autokatalizator ili, bliže običnom jeziku, da se u silicijevom nitridu klizna ploha pod pritiskom širi, ali ne nastaje. Ovo drugo zorno pokazuje priloženi dijagram na kojem se vidi da čisti ß-Si3N4 (0 % α) nije prešao u drugu, alfa-modifikaciju ni pri tlaku od 55 GPa.

 Jedan je keramički materijal, eto, pretvoren u kovinu, no ista bi sudbina – nadaju se autori spomenutog rada – mogla zadesiti i druge kovalentne keramike. Napominju da bi se mogao napraviti plastičnim i ugljikov karbid – materijal za izradu brusnog (smirkovog) papira – jer se i on pojavljuje u dvije kristalne modifikacije, kubičnoj i heksagonskoj. No za to treba malo strpljenja – i puno rada.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 13 znanstveno-popularnih knjiga. Ove mu godine izlazi još jedna, „Kemija – muza arhitekture“, koju je napisao u koautorstvu s arhitektom Zvonkom Pađanom.



HI-FI EXPERIENCE WEEK

KEF

Od 28.11. do 16.12. 2022. posjeti našu slušaonu na Zagrebačkom Velesajmu i uživaj u KEF Wireless aktivnim zvučnicima.

Kupi

Hibridno integrirano pojačalo

VINCENT SV-737

Bluetooth, WiFi, 20 Hz - 20 kHz, > 90 dB, 47 kOhm, 590 W, WAV, FLAC, APE, LPCM, MP3, ACC, AC3, WMA, 6 x stereo RCA, 2 x Optical, 2 x Coaxial.

24.999 kn 3.317,94 € Kupi

Wireless podni zvučnici

KEF LS60

Visokokvalitetan streaming, Wi-Fi, Apple AirPlay 2, Google Chromecast, Roon Ready, Bluetooth, Spotify, Tidal, Deezer, 26 Hz - 36 kHz, 111 dB.

49.999 kn 6.636,01 € 52.699 kn Kupi