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Le fasi MAX sono un gruppo di composti chimici ternari di formula generica Mn+1AXn, dove
Questi composti combinano le caratteristiche di materiali metallici e ceramici, e hanno ricevuto un grande sviluppo a partire dagli anni 2010.
I primi composti di questo tipo furono Ti2SC e Zr2SC, ottenuti nel 1960 da Heinz Kudielka e Helga Rohde. Successivamente, negli anni 60 del secolo scorso Wolfgang Jeitschko e Hans Nowotny sintetizzarono più di 100 nuovi carburi e nitruri, tra i quali nuovi sistemi ternari composti da un metallo di transizione, un metallo del gruppo 13 o 14 e carbonio o azoto. Questi composti, caratterizzati da una struttura esagonale a strati, furono inizialmente chiamati fasi H (H-phasen), e poi rinominati fasi MAX a partire dagli anni 90 del secolo scorso. Nel 1996 furono riconosciute le loro particolari proprietà, e le fasi MAX iniziarono ad attrarre un interesse sempre maggiore, estendendo inoltre i possibili elementi costituenti. Da principio questi composti avevano stechiometria M2AX; in seguito sono stati sintetizzati anche composti di stechiometria M3AX2 e M4AX3, M5AX4 e anche più complessi.
La maggior parte delle fasi MAX (cosiddette "classiche") sono materiali con struttura cristallina esagonale, gruppo spaziale P63/mmc, costituiti da strati di ottaedri distorti MX6 con spigoli in comune, intervallati da singoli strati planari dell'elemento A. Esistono inoltre anche fasi MAX con struttura cristallina differente. Dal punto di vista elettronico le fasi MAX contengono legami covalenti forti M-X, legami ionici relativamente deboli M-A e legami metallici formati con il contributo prevalente degli orbitali d degli atomi M. Le fasi MAX sono quindi materiali stratificati che combinano caratteristiche ceramiche e metalliche, mostrando di conseguenza peculiari proprietà chimiche, fisiche, elettriche e meccaniche.
Proprietà chimiche - Questi composti sono resistenti alla ossidazione e alla corrosione, e possiedono quindi una notevole stabilità a lungo termine in ambienti ostili, anche a temperatura elevata. Questo vale particolarmente per i composti contenenti alluminio, come Ti2AlC e il Cr2AlC. In questi casi gli atomi di alluminio tendono a migrare verso la superficie, dove vanno a formare uno strato di Al2O3 che protegge dall'attacco di ioni ossido esterni.
Proprietà fisiche - Le fasi MAX sono solidi che si possono lavorare con la stessa facilità di alcuni metalli. È possibile tagliarli a mano utilizzando un seghetto, anche se possono essere più duri del titanio metallico, pur mantenendone la stessa densità. Grazie alla loro eccellente conduttività elettrica, possono inoltre essere levigate fino a ottenere una lucentezza metallica. Non sono soggette a stress termico, mostrano un'eccezionale tolleranza alla fatica, e sono in grado di autoriparare le cricche.
Proprietà meccaniche - Come classe di materiali, le fasi MAX sono generalmente materiali rigidi, leggeri e plastici, caratterizzati da valori elevati del modulo di elasticità, resistenza a compressione e tenacità a frattura, sebbene tendano ad avere una durezza e un modulo di taglio relativamente bassi. Grazie alla struttura atomica a strati alcuni di questi composti, come Ti3SiC2 e Ti2AlC, mostrano anche resistenza allo scorrimento viscoso (creep) e alla fatica, mantenendo le proprie proprietà meccaniche anche a temperature elevate.
Proprietà elettriche e termiche - Le fasi MAX sono elettricamente e termicamente conduttive grazie alla componente metallica dei loro legami, fornita sostanzialmente dall'interazione tra gli orbitali d del metallo M. La maggior parte delle fasi MAX è costituita da conduttori elettrici e termici migliori rispetto al metallo puro M che contengono.
I processi di sintesi delle fasi MAX sono di solito suddivisi in due categorie:
Sintesi bottom-up - Sono processi di sintesi diretta che partono da componenti più piccoli per ottenere materiali più grandi. Il metodo più semplice è la sinterizzazione da polveri: si miscelano polveri di composti o elementi puri che vengono poi scaldati ad alta temperatura (anche fino a 1700ºC) in atmosfera controllata. Altre procedure di sinterizzazione prevedono di usare alta pressione o differenti metodi di riscaldamento come sinterizzazione con plasma di scintilla (spark plasma sintering) o riscaldamento con microonde. Metodi ancora alternativi utilizzano deposizione fisica da vapore, deposizione chimica da vapore o spruzzatura termica. Tramite sintesi bottom-up si ottengono principalmente fasi MAX "classiche".
Sintesi top-down - Questi processi sono usati principalmente per modificare l'elemento A in fasi MAX precedentemente ottenute da sintesi bottom-up. In questo modo si possono ottenere fasi MAX dove l'elemento A originale è stato sostituito con metalli di transizione (vedi figura). Sono stati usati metodi a sale fuso o reazioni di scambio indotte termicamente in film sottili.
In alcuni casi l'elemento A (soprattutto alluminio) essendo legato debolmente può essere facilmente rimosso. Si ottengono così materiali a struttura stratificata, denominati MXeni, costituti da nanofogli impilati collegati da deboli forze di van der Waals.
Sono stati ottenuti anche materiali contenenti boro anziché carbonio o azoto. I composti contenenti boro come elemento X sono classificati come fasi MAX a base boruro quando hanno la stessa struttura P63/mmc) delle fasi MAX classiche. Quando la struttura è diversa i composti sono classificati come fasi MAB.
Le fasi MAX sono considerate materiali promettenti per svariate applicazioni, data la peculiare combinazione di caratteristiche metalliche e ceramiche che li caratterizzano. Tuttavia prodotti basati su fasi MAX non hanno ancora (2024) trovato applicazioni significative. Alcuni dei campi di ricerca applicata più sviluppati sono:
| Controllo di autorità | GND (DE) 1042270511 |
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