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La misteriosa nascita del carbonio vetroso: come ha fatto Bernard Redfern a scoprire questo bizzarro materiale?
Il carbonio vetroso, noto anche come carbonio vetroso o carbonio vitreo, è un materiale di carbonio non grafitizzabile che unisce le proprietà del vetro e della ceramica alle caratteristiche della grafite. Le sue proprietà principali includono elevata stabilità termica, elevata conduttività termica, durezza (7 sulla scala di Mohs), bassa densità, bassa resistenza elettrica, basso attrito, resistenza estremamente elevata agli attacchi chimici e impermeabilità a gas e liquidi. Questo materiale è ampiamente utilizzato come materiale per elettrodi in elettrochimica, come crogiolo ad alta temperatura e come componente di alcuni arti protesici. Il carbonio vetroso può essere prodotto in diverse forme, dimensioni e sezioni trasversali e i termini "carbonio vetroso" e "carbonio vetroso" sono stati registrati come marchi, mentre la IUPAC non ne raccomanda l'uso come termini tecnici. Con la pubblicazione di una revisione storica del carbonio vetroso nel 2021, le origini di questo materiale hanno attirato ampia attenzione.
Contesto storicoIl vetro-carbonio è apparso per la prima volta nei laboratori della Carborundum Company di Manchester, in Inghilterra, dove è stato scoperto a metà degli anni '50 dallo scienziato dei materiali ed esperto di tecnologia dei diamanti Bernard Redfern. Notò che il nastro utilizzato per fissare un campione di ceramica (ugello di un razzo) al fondo del forno si trasformava in una struttura insolita dopo la sinterizzazione in atmosfera inerte, mantenendo la sua forma originale.
Redfern ha quindi esplorato una matrice polimerica che imitasse la struttura del diamante e ha scoperto una resina fenolica che, dopo uno speciale trattamento, si sarebbe solidificata senza catalizzatore. I crogioli realizzati con questa resina vengono distribuiti a numerose organizzazioni, tra cui UKAEA Harwell. Tuttavia, Redfern lasciò la Carbone e l'azienda cessò ufficialmente ogni interesse nell'invenzione del carbonio vetroso.
Lo sviluppo di Plessey
Mentre lavorava presso il laboratorio Plessey a Towset, in Inghilterra, Redfern ricevette un crogiolo in carbonio vetroso dall'UKAEA e lo riconobbe come uno da lui realizzato in precedenza, poiché aveva inciso il marchio sul precursore non carbonizzato. L'azienda aprì laboratori a Litchborough e in seguito creò strutture permanenti a Caswell, nel Northamptonshire, che divennero Plessey Research Caswell e l'Allen Clark Research Centre. Lo sviluppo del carbonio vetroso a Plessey è una cosa ovvia e, sebbene il contributo di Redfern all'invenzione e alla produzione del carbonio vetroso sia riconosciuto, il riferimento a lui nelle successive pubblicazioni di Cowlard e Lewis non è ovvio.
Redfern presentò una domanda di brevetto nel Regno Unito l'11 gennaio 1960 e in seguito ottenne il brevetto statunitense 3.109.712A il 5 novembre 1963.
Proprietà e applicazioni dei materiali
Il carbonio di vetro ha una velocità di restringimento molto uniforme e prevedibile, che consente di realizzare raccordi precisi nello stato di polimero. Alcuni dei primi campioni di GaAs ultrapuro sono stati sottoposti a purificazione in zone in questi crogioli perché il carbonio vetroso non è reattivo verso il GaAs. Inoltre, il drogaggio del carbonio vetroso presenta anche fenomeni semiconduttori.
La sua forma porosa, chiamata carbonio vitreo reticolato (RVC), è stata sviluppata per la prima volta a metà degli anni '60 come materiale per elettrodi in carbonio vitreo microporoso e termicamente isolante. Queste proprietà rendono i VRV molto utili in elettrochimica, soprattutto come elettrodi tridimensionali.
Struttura e proprietà elettrochimiche
La struttura del carbonio vetroso è da tempo controversa. I primi modelli strutturali presupponevano la presenza di atomi con legami sia sp2 che sp3 nel carbonio vetroso, ma ora si sa che il carbonio vetroso è interamente legato sp2.
In elettrochimica, il carbonio vetroso è considerato un elettrodo inerte per la riduzione degli ioni idrossido in soluzione acquosa. Queste caratteristiche lo rendono indispensabile nella produzione di sensori. Grazie al suo specifico orientamento superficiale, il carbonio vetroso viene utilizzato per fabbricare vari tipi di elettrodi modificati e mostra una buona stabilità in applicazioni biocompatibili come gli impianti dentali.
Con il progresso della scienza e della tecnologia e l'approfondimento della ricerca sui materiali, l'ambito di applicazione e la tecnologia del carbonio vetroso continuano ad espandersi ed evolversi. La combinazione unica di materiali ceramici e simili al vetro crea senza dubbio innumerevoli possibilità nei campi della scienza e dell'ingegneria moderne.
Mentre riflettiamo nuovamente sul contributo di questo scienziato e sulle potenziali applicazioni di questo materiale, non possiamo fare a meno di chiederci: in che modo le future innovazioni tecnologiche cambieranno il modo in cui comprendiamo e utilizziamo questo materiale?
