Le nanotecnologie ed i materiali tecnologicamente avanzati di interesse della Difesa Scopo della tesi è descrivere le proprietà dei materiali tecnologicamente avanzati, di quelli nanostrutturati proponendo applicazioni specifiche nel settore della Difesa. Viene illustrata l’evoluzione dei materiali attraverso i 3 paradigmi che hanno contraddistinto il passaggio da quelli tradizionali a quelli ingegnerizzati. Di seguito si descrive la nuova frontiera rappresentata dalle nanotecnologie e dai materiali nanostrutturati.

1. Dai materiali tradizionali a quelli ingegnerizzati

Da Materia a Materiale

Materia primaComposizione chimica

non classificato 3

Distinguiamo le materie prime dai materiali. L’aspetto fondamentale delle materie prime è la loro composizione chimica. I minerali contengono Ferro, Alluminio, Titanio e così via.

Un materiale invece si ottiene per lavorazione delle materie prime ed è caratterizzato da una microstruttura, in altre parole la disposizione nello spazio di reticoli cristallini differenti per dimensione ed orientamento. Ciò conferisce al materiale le proprie caratteristiche chimico fisiche e tecnologiche.

Da Materia a Materiale

MaterialeMicrostruttura

EstrazioneLavorazione

non classificato

Materia primaComposizione chimica

3

Infine il materiale prende forma sulla base delle prestazioni richieste, definite dal requisito operativo e sviluppato nella fase di progetto. Il prodotto finito va in esercizio ed i problemi che manifesta sono corretti attraverso i controlli effettuati nel corso della manutenzione. Pertanto nei materiali tradizionali il paradigma di impiego è progettare la forma assumendo per date le caratteristiche del materiale.

Materiali tradizionali sono storicamente il legno, impiegato nei mezzi navali fin dai Fenici, poi con la richiesta di maggiori prestazioni si è passati alle leghe Ferro Carbonio, gli acciai, e, con l’avvento del mezzo aereo alle leghe leggere di Alluminio ed il Titanio.

La situazione cambia passando ai materiali tecnologicamente avanzati. Infatti, la necessità di coniugare prestazioni sempre maggiori e pesi sempre minori, ha favorito lo sviluppo di combinazioni di materiali. E’ quindi un concetto JOINT applicato ai materiali. Dalla sinergia tra due materiali di origine, se ne produce uno nuovo con caratteristiche superiori. E’ il caso dei materiali compositi basati su polimeri rinforzati con fibre. Le fibre resistono ma non si reggono in piedi da sole. La resina non resiste ma, tiene in piedi le fibre e distribuisce lo sforzo.

Materiale Tecnologicamente Avanzato

Da un Materiale ad una Combinazione di Materiali

PolimeroMateriale CompositoFibre

protegge le fibre e distribuisce gli sforzi nel materiale

assorbono i carichi

non classificato

Polimero rinforzato con fibre (FRP)

5

Dalla tabella si rileva come i materiali compositi basati su resina rinforzata con fibre (riquadro rosso) vincono il confronto con i materiali tradizionali (riquadro blu) in termini di peso e carico di rottura.

Materiale Tecnologicamente Avanzato

Vantaggi

1401.85Fibra di vetro2001.30Kevlar ®1801.63Fibra di carbonio

2038.20Nickel882.70Alluminio757.87Acciaio

Carico diRottura

Peso Specifico

non classificato 6

Materiale Tecnologicamente Avanzato

Le fibre hanno direzioni preferenziali

di

Resistenza

e di

Fragilità

E

0°

90°

45°

0° 30° 60° 90°

sollecitazione

non classificato

Svantaggi

7

Resistenzaa rottura

D’altro canto la presenza di fibre come elemento strutturale conferisce fragilità intrinseche ai materiali compositi per la presenza di direzioni preferenziali di resistenza e fragilità. Il grafico in rosso (slide 8) indica ad esempio la radicale variazione di resistenza strutturale per un composito sottoposto a trazione in condizioni di orientamento delle fibre, 0° 45° e 90°.

Pertanto si passa dal paradigma dei materiali tradizionali, SINGLE SERVICE, progettare la forma a quello dei materiali tecnologicamente avanzati, in cui si progetta il materiale, scegliendo la migliore combinazione possibile in funzione del requisito operativo, CONCETTO JOINT, avendo la possibilità di “orientare” la componente fibrosa del materiale ponendolo di volta in volta nella posizione strutturalmente più resistente.

Appartengono a questa classe di materiali il velivolo Eurofighter nel quale circa il 60% della struttura è in composito, ma anche mezzi in via di sviluppo nelle forze armate USA come lo HUMVEE, veicolo leggero multiruolo con struttura interamente in composito a fibra di carbonio ed il mezzo navale da pattugliamento costiero MAKO proposto in sostituzione dell’attuale flotta nella US Navy.

Una menzione a parte per i materiali laminati metallo/composito che rappresentano l’incontro tra tradizione ed innovazione, quindi un concetto INTERAGENCY, che hanno i migliori valori in termini di prestazione, peso e resistenza al danno e rappresentano l’attuale frontiera dei materiali tecnologicamente avanzati. Un’applicazione significativa di questi materiali è presente in gran parte delle componenti strutturali del velivolo del futuro, il JSF e nei velivoli di trasporto civile del futuro come Airbus A 380 e Boeing 787.

Il largo impiego di materiali tecnologicamente avanzati, strutturalmente più resistenti ma più fragili, si deve confrontare con le criticità attuali che sono di natura ambientale e di vita utile d’impiego del sistema d’arma. La deduzione è la necessità di un controllo continuo che non limiti l’operatività e non faccia crescere i costi di esercizio. Per fare ciò è necessario passare dal paradigma dei Materiali Tecnologicamente Avanzati a quello dei materiali ingegnerizzati, integrando il controllo nel materiale. E’ il COMPREHENSIVE APPROACH dei materiali. Ma come fare?

Si consideri una fibra ottica, un capillare di vetro nel quale, per effetto della particolare composizione del vetro, la luce riesce a fluire come l’acqua in un tubo.

Si consideri poi un dispositivo ottico, denominato reticolo di Bragg, costituito da una superficie riflettente fatta a scalini regolari la cui dimensione consente di separare da una radiazione policromatica selettivamente una sola frequenza.

Unendo una fibra ed una serie di reticoli di Bragg si ottiene un sistema nel quale la frequenza della luce in uscita è determinata dal passo dei reticoli. E se una deformazione allunga la fibra cambia il passo del reticolo e cambia la frequenza della luce riflessa. E’ il modo di integrare il controllo nel materiale.

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Poiché le fibre ottiche sono fibre di vetro, esse possono essere integrate all’interno di un materiale composito ottenendo una rete innervata e sensibile nel materiale in grado di sentire in modo continuo le deformazioni. E’ già stato sperimentato sulle superfici esterne di un velivolo militare svedese e sull’intero scafo del progetto CHESS, una nave ad alto contenuto tecnologico progettata in Norvegia.

2. Nanotecnologie e materiali nanostrutturati

Vediamo la nuova frontiera. Parlare di nanomateriali significa considerare sistemi nei quali almeno una dimensione è di ordine nanometrico. Un nanometro è pari a un miliardesimo di metro. E’ come considerare un mm rispetto alla distanza tra Bolzano e Taranto.

Facciamo però un salto all’indietro di 50 anni, quando nel 1959 Richard Feynmann tenne la sua lecture di apertura annuale dell’American Physical Society affermando che le leggi della fisica non impedivano la manipolazione della materia atomo per atomo e che la tecnologia rendeva ciò attuabile.

Nel 1986, 26 anni dopo, i fatti danno ragione a Feynmann che, assieme al Nobel per la fisica, riceve come tributo anche il famoso logo IBM scritto con 36 atomi di Xenon mossi uno alla volta. Ma Feynmann intitolò la sua conferenza “There is a plenty of room at the bottom” per un motivo preciso. Ma cosa aveva previsto ?

Si ipotizzi che l’intero ammontare bibliografico del pianeta sia pari a circa 1 miliardo di libri. E’ una stima credibile se si considera che la Library of Congress degli USA, la biblioteca più grande del pianeta, ne ha circa 141 milioni.

Ogni carattere viene descritto con un codice binario di 8 elementi e, per ogni elemento binario, si utilizza un atomo di Carbonio. Come struttura si consideri quella della grafite (le matite!). Facendo i conti si ottiene un numero di atomi pari a 1.6 x 1016.

Sembra un numero alto ma se calcoliamo quanta grafite è in peso, è un valore molto basso, ed è meno della grafite contenuta in un tratto di matita di un decimo di millimetro. Un tratto di matita di 0,1 mm che contiene 2.000.000 GB di memoria dati.

Cosa succede, quando una particella di materia ha dimensioni nanometriche? Si consideri una pallina d’oro sempre più piccola, diminuisce il raggio. Diminuisce il numero totale di atomi ed aumenta il rapporto tra il numero di atomi in superficie e il numero di atomi nel volume. Se si considerano gli atomi in superficie si osserva che sono atomi “meno legati” di quelli interni e serve quindi meno energia per “liberarli”. Pertanto la temperatura di fusione diminuisce con le dimensioni ed è possibile lavorare i materiali con molta meno energia rispetto a prima.

Che vantaggi ci sono ad avere tante piccole palline invece di un grande pallone? Lo sviluppo superficiale che si ottiene utilizzando materiali nanostrutturati è notevole. Aumentano, di conseguenza, tutte le proprietà fisiche che sono in relazione allo sviluppo superficiale.

Aumentano le proprietà di attrito che influenzano le proprietà di tenuta e resistenza dei pneumatici. Aumenta in misura enorme il potere filtrante e, attraverso la possibilità di fissare chimicamente sul materiale un agente decontaminante, il filtro diviene un elemento attivo di protezione individuale contro aggressivi chimici e biologici.

Tra i materiali nanostrutturati, le strutture fatte di carbonio sembrano venire da un altro pianeta. Sono in genere strutture tubolari e sferiche fatte interamente in carbonio.

Hanno proprietà tali da poter essere considerati senza dubbio il materiale del futuro prossimo nel campo meccanico, elettronico ed energetico.

In particolare una grande applicazione delle nanotecnologie è prevista per il progetto “soldato del futuro”.

Ma ci sono problemi attuali. I militari USA reduci da IRAQ ed Afghanistan soffrono di traumi dell’apparato uditivo. Circa 35.000 soldati hanno sofferto la rottura del timpano. Tale danno li rende non impiegabili per parecchio tempo in compiti operativi.

Per questo un gruppo di ricercatori dell’Università di San Diego ha sviluppato una soluzione, ispirata dal pendolo di Newton, considerando che un urto ed un’esplosione sono singoli eventi impulsivi.

Ipotizzando una risposta idealmente elastica in un modello con tante palline d’acciaio, si osserva che i sensori posti lungo la serie di palline rilevano tutti lo stesso impulso. Alternando invece serie di palline con proprietà meccaniche molto differenti come acciaio e teflon cambia tutto. L’impulso si decompone progressivamente in un treno di impulsi sempre più lungo e sempre meno intenso.

Pertanto con un’alternanza quasi infinita di nanosfere l’impulso risulta confinato all’interno del sistema ed il timpano non è sollecitato.

3. Conclusioni

E’ stata illustrata l’evoluzione dei materiali attraverso i 3 paradigmi di impiego: SINGLE SERVICE , JOINT e COMPREHENSIVE APPROACH dei materiali.

Sono state descritte le implicazioni che le nanostrutture hanno per il futuro dei sistemi di memoria informatica, per l’impiego nel settore protezione individuale in ambito civile e militare e come, in particolare, le nanostrutture di carbonio abbiano potenzialità tali da poter essere considerate il vero futuro paradigma dei materiali.

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