Istituto superiore C.Balbo Liceo scientifico Classe V sez. B

Casale Monferrato (AL)

La scienza dei materiali

nella vita dell’uomo

Nel xx secolo, l’evoluzione nel campo della produzione e dell’uso di nuovi

materiali ha assunto ritmi mai visti in precedenza.

Esiste oggi una relazione molto stretta tra crescita economica e progresso

nella scienza dei materiali innovativi che trovano già oggi o che troveranno

nel prossimo futuro applicazioni tecnologicamente avanzate.

Tecnologia termofotovoltaica

Dalla tec. fotovoltaica caratterizzata dalla capacità di trasformare luce

solare in elettricità, ci si è evoluti in tecnologia termofotovoltaica.

Le celle fotovoltaiche sono irraggiate da un corpo portato a temperatura affinchè possa avvenire un’emissione controllata di radiazione infrarossa a cui le celle sono sensibili.

•OperativitàOperatività notturna;

•VersatilitàVersatilità nell’uso dei combustibili;

•SilenziositSilenziosità dei macchinari;

•Elevata efficienzaefficienza globale;

•En. Termica ed elettricità prodotte in quantità quantità ottimali;ottimali;

•Compatibilità Compatibilità ambientale - uso di semiconduttori per minimizzare le emissioni inquinqnti; - uso sostitutivo al ftv. nel momento in cui per la troppa insolazione le celle diventino meno efficienti.

I vantaggi:

I I semiconduttoriI semiconduttori sono elementi con una

resistività media tra i conduttori e gli isolanti.

Meno il reticolo cristallino è puro più il materiale sarà conduttore.

Celle con moduli ftv.in silicio monocristallino.

La plastica : una grande risorsa

Metodi di riciclaggio

Meccanico;Chimico.

Da rifiuto ingombrante ed indistruttibile, la plastica può trasformarsi in una preziosa risorsa che fornisce nuova

materia prima ed energia.

termolisi

chemiolisi

altri processi (estrusione degradativa, pirolisi,viscosity-breaking, idrogenazione, gassificazione)

•Riciclo meccanico:si impiegano metodi fisici utilizzati per la lavorazione delle richiede materie plastiche pure. Poiché il valore commerciale della plastica riciclata è circa il 60-80% di quella vergine, spesso il

processo non è economicamente conveniente.

. Estrusione degradativa della massa polimerica fusa:consente di sterilizzare, compattare, omogeneizzare e modificare chimicamente

miscele anche molto eterogenee a). In compenso il funzionamento degli impianti diventa conveniente spesso solo al di sopra delle 10.000 tonnellate

all’anno

•Riciclo chimico:il rifiuto plastico richiede una selezione meno accurata (e quindi meno costosa). In compenso il funzionamento degli impianti diventa spesso conveniente solo al di sopra delle

10.000

Lavorazione della plastica

•Pirolisi:un processo che viene effettuato a bassa temperatura (circa 500°) e in reattori a letto fluido: la sua efficienza complessiva è circa dell’80%.

Macchina per il trattamento delle materie plastiche

Viscosity-breaking:i rifiuti plastici vengono riscaldati a temperature comprese fra i 260 e i 420°C: la viscosità della massa diminuisce

parecchio

I polimeri nel nostro corpoGià gli Etruschi utilizzavanoi materiali inorganici per protesi dentarie, i Romani per per le protesi in sostituzioni di manie

piedi. Ma solo la chirurgia moderna permette la sostituzione di

organi vitali con quelli artificiali (uno per tutti il pacemaker) o “pezzi di ricambi” per fini estetici

Ma dove e come ci possono aiutare?Nella testa, nell’occhio,nel cuore, nelle protesi

mammarie, nelle ossa, nell’apparato digerente, sulla pelle.

Ma oltre alle oprotesi all’Università del Michigan sono in preparazione impalcature in fibre di poimeri studiate per far crescere organi

trapiantabili.

I superconduttoriLa superconduttività è la capacità di condurre la corrente elettrica senza

incontrare resistenza. Infatti i materiali tradizionali

presentano una resistenza elettrica che può essere paragonata ad un

attrito.La superconduttività fu scoperta nel 1911, grazie al fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes che raffreddò il mercurio con elio liquido fino a una

temperatura di 4 K.

Egli si accorse che in tali condizioni il mercurio cominciava improvvisamente a condurre corrente senza alcuna perdita.

Da quel momento sono stati scoperti diversi metalli e leghe, che fungono da superconduttori, a temperature molto basse, di solito al di sotto di 23

K.

Grazie alla superconduttività è possibile trasportare una enorme quantità di energia con dimensioni del mezzo

trasportatore relativamente piccole.

Una delle grandi possibilità offerte dai superconduttori è la levitazione magnetica

I treni, ad esempio, possono essere fatti levitare su potenti magneti che sfruttano la superconduttività, riducendo così i problemi di attrito e raggiungendo velocità elevate con bassissimo dispendio di energia.

Materiali intelligentiPossono non solo provocare una rivoluzione nel campo dei

materiali, ma anche favorire una comprensione più approfondita di fenomeni fisici complessi.

L’aspetto più significativo dell’uso dei materiali intelligenti è certamente quello di rendere gli oggetti inanimati capaci di

diventare più naturali e simili agli esseri viventi.

Sono costituiti da attuatori, che possono cambiare forma, rigidità, posizione in seguito a variazioni di temperatura o a campi elettromagnetici. Questi possono essere di quattro tipi:

•Materiali a memoria di forma

•Materiali piezoelettrici

•Materiali magnetostrittivi

•Fluidi elettroreologici e magnetoreologici

La caratteristica principale dei materiali a memoria di forma è quella diessere in grado di recuperare una forma preimpostata, grazie alla

particolare struttura microcristallina di questi materiali. Questa proprietàtrova diverse applicazioni : ad esempio un occhiale con le parti metalliche

in materiale pseudoelastico può essere chiuso all’interno della mano eritornare alla sua forma originale semplicemente aprendo la mano .

I materiali a memoria di forma

I materiali piezoelettriciL’uso di questi materiali può essere suddiviso in due categorie in base al

principio fisico utilizzato (effetto piezoelettrico diretto o inverso ) .Rientrano nell’utilizzo basato sull’effetto piezoelettrico diretto

i generatori (ad esempio l’accendi gas) mentre sono basati sull’effetto piezoelettrico inverso tutti i dispositivi attuatori. Tra le applicazioni più

comuni degli attuatori piezoelettrici vanno ricordati i generatori di ultra suoni utilizzati nella diagnostica medica.

I materiali magnetostrittiviSono simili ai materiali piezoelettrici , ma reagiscono a campi

magnetici anziché elettrici. I domini magnetici della sostanza tendono ad allinearsi con il campo magnetico esterno e in tal modo fanno si che

il materiale si espanda. Fra tali materiali va ricordato il terfenol-D , che è utilizzato per sonar di alta potenza e bassa frequenza , in motori e in attuatori idraulici. Questo materiale viene utilizzato anche nello

smorzamento dellevibrazioni .

I fluidi elettroreologici e magnetoreologici

Sono sostanze contenenti particelle di dimensioni molto piccole che

formano catene quando sono poste in un campo elettrico o magnetico .

Vengono applicate in sistemi di isolamento dalle vibrazioni , e nei

dispositivi ad attrito quali frizioni , freni e regolatori per strumenti ginnici

da palestra .

I sensori a gas

I sensori a gas sono impiegati in tutte le attività umane, negli uffici pubblici, negli ambienti domestici e lavorativi, nel

settore automobilistico per ottimizzare il rapporto benzina-aria. Sono strumenti sofisticati capaci di selezionare le grandezze da misurare e di escludere possibili fattori di

interferenza.

I primi materiali I primi materiali studiati furono gli ossidi metallici, in

particolare gli ossidi di zinco (ZnO), gli ossidi di titanio (TiO)e quelli di stagno (SnO), anche se tutti gli ossidi sono capaci di

sentire le variazioni della concentrazione di gas ossidanti.

Problematiche dei primi sensori I primi sensori a gas presentavano problemi di selettività perché non distinguevano gas ossidanti, gas riducenti,gas

inerti: ciò rischiava di far abbandonare il loro utilizzo perché tali gas sono i maggiori costituenti dell’aria.

SoluzioniE’ intervenuta l’esperienza dei chimici della catalisi:

coniugando l’utilizzo dei sensori con l’efficienza di un catalizzatore, è possibile rilevare la concentrazione del singolo

gas per cui è attivato.

Nuove esigenze e conseguenti problematiche

Verso gli anni ’90 lo sviluppo della sensoristica subì un cambio di prospettiva provocato da tre fattori:

•Il primo era strettamente tecnico in quanto molti Stati incominciarono ad utilizzare sensori per il monitoraggio

ambientale.• Il secondo fattore era di natura tecnologica perché le spese per le ricerche sui sensori erano insostenibili per le piccole e medie aziende.

•Il terzo era di carattere economico, legato alla miniaturizzazione dei sensori che si scontrava con

l’insostenibilità dei costi di progetto e di produzione.

Soluzione delle problematiche degli anni ‘90

La soluzione che risolse contemporaneamente questi tre problemi fu lo sviluppo del concetto di “matrice di sensore”

che prendeva a modello la fisiologia dell’olfatto. Basandosi su queste conoscenze si è giunti a sviluppare un sensore

universale, in grado di stabilire l’esatta composizione della miscela gassosa, il modello ad “olfatto”.

A sinistra un

prototipo di naso

elettronico, a sinistra il suo interno

Questo modello “ad olfatto” aveva però un limite: i materiali costituenti restavano solo sistemi inorganici.

Gli scienziati hanno quindi proposto tre proposte• La prima è di carattere fisico e consiste nel rendere

disponibile la molecola a successivi movimenti per controllare sia la sua velocità che il suo orientamento.

• La seconda tecnica è analoga alla prima, basata sul modello di Langmuir-Blogett formato da pellicole aderenti alla superficie tramite forze di interazione elettrostatica.

•La terza è detta di auto-assemblaggio perché ha consentito di legare molecole a superfici metalliche.