Slides Materiali Innovativi Dott.ssa R.Licheri

Introduzione alla
Scienza e Ingegneria
dei materiali innovativi
ROBERTA LICHERI
Ferro, rame, bronzo e poche altre leghe –
unitamente a legno, pietra – costituirono per
millenni gli unici materiali strutturali disponibili.
Ci vollero alcuni millenni dall’era del ferro perché
il rapporto tra sviluppo della tecnologia e
sviluppo di materiali si ribaltasse, determinando la
nascita e lo sviluppo di nuovi materiali strutturali:
acciai, alluminio e sue leghe e, in epoca
successiva, ceramici strutturali e polimeri.
Le applicazioni strutturali non sono le sole per le
quali occorrono materiali nuovi. I materiali
funzionali sono almeno altrettanto importanti, e
su di essi si è spesa molta della creatività degli
scienziati dei materiali negli ultimi secoli.
Tetraedro della Scienza
e Ingegneria dei Materiali
Systems materials engineering triangle
Processo, struttura, proprietà e
prestazioni sono strettamente correlate!
Classificazione dei Materiali
STRUTTURA ATOMICA E COMPOSIZIONE
I materiali solidi sono stati raggruppati in tre classi in base alla struttura atomica e alla
composizione chimica:
METALLI E LEGHE
CERAMICI, VETRI, VETRO-CERAMICI
POLIMERI (TERMOPLASTICI E TERMOINDURENTI)
Altri gruppi di materiali importanti dal punto di vista ingegneristico sono:
SEMICONDUTTORI (MATERIALI FUNZIONALI)
COMPOSITI
BIOMATERIALI
Classificazione dei materiali
Metalli
Di norma si tratta di
combinazioni di metalli.
Hanno un gran numero di
elettroni delocalizzati e diverse
loro proprietà vengono attribuite
a questi elettroni.
A temperatura ambiente si
trovano allo stato solido (eccetto
il mercurio che si trova allo stato
liquido)
Sono resistenti ma deformabili
ed ampiamente impiegati per
applicazioni strutturali
Ceramici
Polimeri
Composti tra elementi metallici
e non metallici.
Per la maggior parte si tratta di
ossidi, nitruri, carburi. In questa
categoria ricadono i ceramici
composti da minerali argillosi, i
cementi, i vetri
Comprendono le materie
plastiche e le gomme.
Presentano strutture
molecolari molto grandi
Sono isolanti al passaggio di
calore e dell’elettricità, sono
resistenti alle alte temperature
e agli ambienti più severi.
Chimicamente satbili. Dal punto
di vista meccanico ceramici sono
duri e fragili
Presentano bassa densità e
possono essere
estremamente flessibili
Classificazione dei materiali
Compositi
Formati da materiali diversi.
Vengono progettati per poter
ottenere una combinazione delle
migliori caratteristiche di ciascun
componente
Semiconduttori
Proprietà elettriche intermedie
tra quelle dei conduttori e degli
isolanti
Le loro caratteristiche elettriche
sono estremamente sensibili ala
presenza di minute
concentrazioni di atomi di
impurezze
Biomateriali
sono impiegati negli impianti
e protesi da inserire nel corpo
umano.
Non devono produrre
sostanze tossiche e devono
essere compatibili con i
tessuti umani.
Metalli, ceramici, polimeri,
compositi e semiconduttori
possono esser utilizzati come
biomateriali.
Esempi, applicazioni, proprietà
di ciascuna categoria di materiali
Applicazioni
Proprietà
Blocchi motore
Lavorabili alle macchine utensili,
stampabili, capaci di smorzare vibrazioni
Ceramici e vetri
SiO2-Na2O-CaO
Vetri per finestre
Otticamente trasparenti,
termicamente isolanti
Polimeri
Polietilene
Confezionamento di
alimenti
Facilmente trasformabili in film sottili,
flessibili ed ermetici
Semiconduttori
Silicio
Transistor e circuiti
integrati
Ottime proprietà elettriche
Compositi
WC-Co
Utensili da taglio
Elevata durezza e resistenza meccanica
Metalli e leghe
Ghise
Resistenze caratteristiche
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*
1psi = 6895 Pa
Classificazione dei materiali in base alla loro struttura
Vari livelli di arrangiamento atomico nei materiali:
a)
Mancanza di ordine (gas monoatomici)
b) c)
Ordine a corto raggio (vapore acqueo,
azoto gassoso, silicio amorfo, vetri-silicati
d)
Arrangiamento regolare di atomi/ioni
(Metalli, leghe, Ceramici e alcuni polimeri)
Classificazione dei materiali in base alla loro struttura
 Materiali Cristallini: costituiti da uno o più cristalli.




In ciascun cristallo gli atomi o gli ioni presentano un
ordine a lungo raggio.
Cristallo singolo: materiale cristallino fatto di un solo
cristallo (assenza di bordi di grano).
Grani: sono i cristalli di un materiali policristallino.
Materiali policristallini: costituiti da molti cristalli.
Bordi di grano: regioni tra i grani di un materiale
policristallino.
Cristallino
Policristallino
14 Reticoli di Bravais raggruppati
in 7 sistemi cristallini
Sono 7 le figure geometriuche
regolari cui è possibile ricondurre
tutti icristalli
Sistema
Cubico
Monoclino
Dimensioni Cella elementare
a=b=c ===90°
abc ==90° 90°
Ortorombico
abc ===90°
Tetragonale
a=bc ===90°
Triclino
abc  90°
Esagonale
Romboedrico o
Trigonale
a=bc ==90° =120°
a=b=c ==90°
Classificazione dei materiali in base alla loro struttura
Forme allotropiche del carbonio:
Grafite con struttura esagonale
Diamante con struttura cubica
Grafite:
Diamante:

Conduttore elettrico

Conduttore di calore

Proprietà lubrificanti

Duro
Metalli
Ceramici
Cubico semplice (Po, -Mn),
Cubico a corpo centrato
(Fe, Ti, W, Mo, Ta, Zr)
Cubico a facce centrate
(Fe, Cu, Au, Ag, Pt)
Esagonale compatta (Ti,
Zn, Be, Cd, Co)
Strutture ioniche
I fattori che devono essere tenuti
in considerazione sono i raggi
ionici e l’elettroneutralità del
sistema che deve essere sempre
garantita (connessioni tra poliedri
anionici)
Blenda ZnS
Strutture covalenti
In genere estremamente
complesse a causa dell’elevata
direzionalità legami
Legami misti ionico-covalente, con una %
di carattere ionico tanto maggiore quanto
maggiore è la differenza di
elettronegatività tra gli elementi costituenti)
Hexagonal closed-packed
Blenda ZnS
Tetraedri di Zn
legati per i vertici
Ceramici
Cristobalite SiO2 (51% carttere ionico)
Allumina ( 63% carattere ionico)
POLIMERI
La polimerizzazione ha luogo quando piccole molecole
si combinano per formare molecole più grandi, o
polimeri.
Si possono avere molecole intrecciate ma non legate
(Termoplastici), o molecole interconnesse in grado di formare
strutture tridimensionali (Termoindurenti)
Struttura dei Polimeri
(a) lineari; (b) lineari ramificati; (c) reticolati; (d) reticolati e ramificati
I polimeri possono formare strutture cristalline
Struttura critsallina del
polietilene (C2H4)n
(cella unitaria ortorombica)
Classificazione funzionale dei materiali
Con l'espressione impiego funzionale si intende, in modo assai
ampio, l'utilizzo di un materiale per qualsiasi applicazione
diversa da quella strutturale:

trasporto di energia elettrica con cavi di rame

trasmissione di dati con fibre ottiche

trattamento digitale dell'informazione impiegando
sofisticati dispositivi elettronici basati su materiali
semiconduttori,

produzione di energia elettrica tramite celle
fotovoltaiche

realizzazione di dispostivi capaci di monitorare la
presenza e la concentrazione di specie chimiche
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Mentre l'impiego dei materiali per scopi strutturali risale agli
albori della storia umana, l'idea che un materiale possa
assolvere a compiti diversi e più sofisticati del semplice
resistere a sforzi meccanici è relativamente più recente.
Prestazioni – Il caso dei Materiali Strutturali
Ambiente di esercizio e altri effetti
Fattori che devono essere presi in considerazione per evitare
guasti pericolosi di componenti:

Temperatura

Corrosione

Fatica

Grado di deformazione

Ulteriori richieste possono derivare
da specifici contesti di impiego.
Il caso dei Materiali Strutturali
Le proprietà meccaniche non esauriscono le caratteristiche
richieste ad un buon materiale strutturale che deve anche
reggere le condizioni ambientali di impiego.
Per esempio nella scelta dei materiali impiegati nella
realizzazione della struttura esterna dei satelliti,
oltre alle ordinarie caratteristiche plastiche e ad una
notevole capacità di resistenza agli shock termici
(le differenze di temperatura tra la superficie di un
satellite artificiale esposta al sole e in ombra è
dell'ordine di 600° C!), deve anche essere in grado di
non alterare le proprie caratteristiche in presenza di
radiazioni
ionizzanti
di
elevata
intensità,
caratteristiche dello spazio extraterrestre.
Proprietà meccaniche
(deformazione sotto un
carico o sforzo applicato)

Modulo elastico

Resistenza a rottura

Tenacità
Proprietà fisiche

Densità
Proprietà termiche

Temperatura di fusione

Coefficiente di
espansione termica

Conduttività termica

Diffusività termica

Proprietà elettriche
stimolazione dovuta a un
campo elettrico (conduttività
elettrica, costante dielettrica.. )

Magnetiche
risposta a un campo
magnetico applicato

Ottiche
risposta a una stimolazione
elettromagnetica o a una
radiazione luminosa (indice di
rifrazione, riflessività…)
Proprietà chimiche

Capacità di resistere
ad ambienti ostili
(durabilità)
Lavorazione dei metalli
Proprietà tecnologiche
Attitudine di un materiale ad essere
lavorato in un dato modo

Plasticità

Duttilità

Malleabilità

Fusibilità

Saldabilità

Temprabilità

Estrudibilità

Lavorabilità alle
macchine utensili

Sinterizzabilità
Estrusione
Forgiatura
Laminazione
Trafilatura
Stampaggio
Lavorazione dei materiali ceramici
Slip casting
Tape casting
Estrusione
Stampaggio ad Iniezione
Compattazione
Lavorazione dei polimeri
Estrusione
Spinning
Formatura a caldo
Stampaggio per soffiatura
Stampaggio ad Iniezione
Stampaggio per trasferimento
Stampaggio per compressione
Lavorazione dei metalli
Lavorazione dei polimeri
Lavorazione dei ceramici
Pressatura uniassiale
Proprietà a confronto-curve /
Proprietà a confronto-modulo E
Temperatura e Resistenza meccanica
L’aumento di Temperatura
in genere riduce la
resistenza meccanica di un
materiale.

I polimeri sono validi
materiali solo a basse
temperature.

Alcuni compositi, alcune
leghe speciali, i ceramici
presentano invece
eccellenti proprietà ad
elevata temperatura.
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
Temperatura e resistenza meccanica
(After M. Steinberg, Scientific
American, October, 1986.)
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Le temperature di esercizio
dei rivestimenti esterni per
dispositivi di volo hanno
subito un incremento grazie
allo sviluppo di materiali
avanzati
Design e selezione dei materiali
Prototipo X-33

Utilizzo di materiali differenti
per componenti differenti
( ‘‘A Simpler Ride into Space,’’ by T.K.
Mattingly, October, 1997, Scientific
American, p. 125. Copyright © 1997 Slim
Films.)
Design e selezione dei materiali
Densità: massa per unità di
volume [g/cm3] .
Strength-to-weight ratio:
rapporto tra resistenza di un
materiale e la sua densità
Materiali con elevato
rapporto risultano altamente
resistenti e leggeri.
Impiego dei Materiali
L’ auto oggi
Leghe ferrose 50-60%
Alluminio 5-10%
Polimeri 10-20%
Altri (vetri, stoffe, ecc.)
Impiego dei Materiali
Boeing 787
Materiali compositi
Impiego dei Materiali
Sezione di un motore di un jet.
La sezione anteriore di
compressione opera a temperature
medio basse e sono spesso usate
parti in titanio.
La sezione posteriore di
combustione opera ad alte
temperature e in tal caso sono
necessarie superleghe di Nichel.
Il guscio esterno è soggetto a basse
temperature e può essere realizzato
in alluminio o compositi.
Componenti ceramici (pale,
rotori e lame resistenti ad alta
temperatura).
Impiego dei Materiali
Resina
epossidica
Policarbonato
Calotta F-22
Raptor
Impiego dei Materiali
I Polimeri vengono
utilizzati in svariati
dispositivi elettronici
per I quali è richiesta
Semiconduttori:
resistenza all’umidità
circuiti integrati e
e bassa conduttività
altri componenti
(DIP Switches)
Possono essere
permeabili, proprio come una “pelle
elettronici.
artificiale”.
Materiali compositi
(polimeri rinforzati con
fibre di carbonio):
Eliche a X per elicotteri
di ultima generazione.
Impiego dei Materiali
e tecnologie di produzione innovative
Il processo produttivo influenza profondamente la struttura, le proprietà
e le prestazioni di un materiale e l’innovazione di processo può diventare innovazione di prodotto
traspirante
antivento
Il Goretex è un tessuto sintetico
costituito da teflon microporoso
(Brevettato nel 1976)
impermeabile
Materiali Funzionali
Meta-materiali
Indice di rifrazione
negativo!!!!
Materiali Funzionali
Cosa sono i Meta-materiali?
Distorsione dello spazio per ottenere invisibilità degli oggetti.
In ottica, il principio di Fermat afferma che la luce viaggia tra
due punti seguendo il percorso che minimizza il cammino ottico.
In figura i raggi di luce girano attorno ad una regione vietata
centrale di raggio R1, vengono schiacciati nella corona
circolare di raggi R1 ed R2 e restano, infine, invariati altrove.
Se riuscissimo a creare un materiale con un indice di rifrazione
tale da ricreare questa distorsione spaziale, qualsiasi cosa
all’interno della sfera centrale proibita risulterebbe totalmente
invisibile.
Il primo esempio di metamateriale
proposto da John Pendry nel 2006,
costituito da un array periodico di split
ring resonators e fili di rame.
La dimensione della cella elementare
è di 5 mm e il sistema lavora nella
regione delle microonde.
La frequenza delle microonde è
dell’ordine di 10 GHz, che corrisponde
ad una lunghezza d’onda nel vuoto di
3 cm.
Occultamento?

Velivolo stealth “invisibile” ai radar
Oggi tecnologia stealth, basat su
accorgimenti tattici, tecnici, tecnologici
Materiali Funzionali
Quali applicazioni dei Meta-materiali?
Dispositivi di occultamento ottico
Elettrospinning
Produzione di fibre polimeriche di diametro
inferiore al micron prodotte.
Le fibre vengono “stirate" all’interno di un
campo elettrico.
Si dispongono in modo casuale ma possono
formare superfici tridimensionali con elevato
rapporto superficie/volume.
Diagramma di funzionamento di un apparato
per elettrospinning:
assetto verticale (a) e orizzontale (b).
“Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique”,
Nandana Bhardwai, Subhas C. Kundu,
Biotechnology Advances, Volume 28, Issue 3, 2010, Pages 325–347
Materiali Funzionali
Le fibre polimeriche prodotte attraverso Elettrospinning possono
comporre tessuti permeabili, proprio come una “pelle artificiale”.
Stampanti 3D e 4D
La tecnologia di stampa 3D consente l’ottenimento di forme complesse precise e
prestabilite architetture, dotate di funzionalità inedite e migliori prestazioni.
L’introduzione di materiali SAM (Soft Advanced Materials), emergenti per la
capacità di subire elevate deformazioni elastiche in presenza di uno stimolo
esterno (calore, luce, elettricità), ha permesso la realizzazione di componenti
funzionali attivi.
I SAM sono stati ottenuti per produrre dispositivi biomedici, muscoli sintetici, e
dispositivi intelligenti. Tuttavia la loro applicazione è stata limitata dall’approccio
tipicamente seguito che limita l’uso di sistemi attivi alla realizzazione di geometrie
semplici.
Nuovi approcci sperimentali combinano la stampa 3D con i materiali SAM.
L’esempio più recente è lo sviluppo della stampa 4D in cui strutture 3D cambiano
la loro configurazione nel tempo in risposta a uno stimolo esterno.
Stampa 4D
La stampa 4D indica materiali prodotti
con la "normale" stampa 3D in grado,
per così dire, di modificare il loro assetto
una volta prodotti.
La meccanica vista come operante in
quattro dimensioni, tre spaziali ed una
temporale:
oggetti che non sono completamente
"espressi" una volta terminata la loro
produzione, e che possono ancora
modificarsi, in modo completamente
autonomo, o quasi.
Polimeri a memoria di forma
Assumono una forma temporanea che
modificano in seguito ariscldamneto.
Materiali Funzionali
Nanotubi di carbonio
Applicazioni spaziali
(tether)
Applicazioni biomediche (drug carrier)
Materiali Funzionali
Nanotubi di carbonio
multi-functional carrier system
Il Grafene
Cos’è
Nel 2010 Andre Geim e Konstantin Novoselov condivisero il
premio nobel per la fisica ‘for ground breaking experiments
regarding the two-dimensional material graphene’
Furono i primi a isolare strati di carbonio a patire dalla grafite usata nella
mina delle matite.
Singolo foglio di grafene osservato al
microscopio TEM con correttore di
aberrazione.
(Image Source: Lawrence Berkley National Lab)
Breve storia del grafene
Il grafene da una matita e da un pezzo di nastro adesivo
Graphene has been discussed theoretically since the 1940s, but it took 60 years to
experimentally obtain a few sheets of micrometre-sized high-quality flakes weighing
picograms. Yet, only 10 years since Geim and Novoselov first used adhesive tape to
isolate graphene from graphite, graphene sheets are being produced in hundreds of
tonnes and tens of thousands of square metre.
Proprietà del grafene
Il materiale più sottile che si possa immaginare,
Leggero,
trasparente,
Il più resistente mai caratterizzato (più resistente dell’acciaio),
il più deformabile,
il più impermeabile,
ha mostrato una conduttività termica 10 volte superiore a quella del rame,
con una elevata mobilità elettronica intrinseca, 100 volte superiore a quella del silicio.
Esempi di applicazioni: telefoni cellulari, elettrodi per celle solari, a display per
computer e tablet.
Applicazioni
Schiume e aerogel
Un pezzo di aerogel di grafene
(0.16 mg- per centimetro cubo) adagiato su un fiore.
Sintesi del
graphene e
applicazioni
Principali metodi di produzione del grafene
Il grafene nei display flessibili
NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 9 | OCTOBER 2014 | www.nature.com/naturenanotechnology
Nei dispositivi optoelettronici, gli elettrodi trasparenti rappresentano i componenti chiave e tipicamente
sono oggi realizzati in ossido di indio-stagno (ITO) per la sua trasparenza ottica e e la buona
conduttività. ITO però presenta scarse capacità meccaniche, quando viene sottoposto a flessione tende
a fratturarsi con conseguenze negative sui componenti elettronici. Il grafene sta invece emergendo
come materiale per elettrodi flessibili e trasparenti. La trsamittanza ottica dei monostrati o di pochi starti
di grafene ottenuti per CVD è superiore a quella di ITO mentre la resitenza elettrica dei fogli di grafene
è comparabile a quella di ITO (elevata mobilità elettronicaed elevata densità di portatori di carica.
Inchiostri conduttivi
NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 9 | OCTOBER 2014 | www.nature.com/naturenanotechnology
Il grafene può essere utilizzato per la realizzazione di inchiosrtri conduttivi grazie all’elevata mobilità dei
portatori di carica, l’elevata robustezza meccanica, la stabilità chimica e i potenziali bassi costi di produzione.
Prima che un inchiostro possa essere deposto, il grafene deve essere disperso come nano-foglietti in un
liquido. La sospensione di grafene si può ottenere per esempio per ossidazione della grafite a dare ossido di
grafene, o per esfoliazione in fase liquida.
Charging graphene for energy
Dispositivo ibrido batteria-capacitore in cui il grafene viene usato come
anodo (a destra) e un materiale di intercalazione come catodo (a sinistra).
Gli atomi di litio (gialli) sono inseriti e rimossi durante i cicli di carica e scarica.
NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 9 | OCTOBER 2014 | www.nature.com/naturenanotechnology
Grafene contro la corrosione
L’eccellente conduttività elettrica e l’elevata area superficiale giocano un ruolo
importante nei sistemi anticorrosione.
Il grafene e i nanocompositi ibridi a base di grafene possono essere impiegati come
rivestimenti protettivi per prevenire l’ossidazione di metalli in esercizio in ambienti fortemente
ossidanti, in acqua o aria, per lungo periodo.
Aspetti coinvolti nel meccanismo anticorrosione
I rivestimenti al grafene funzionalizzato rendono il cammino
dell’acqua di permeazione particolarmente tortuoso.
Contrariamente a quanto accade con i rivestimenti
anticorrosione polimerici gli elettroni che si generano in seguito
alla reazione anodica difficilmente raggiungono il sito catodico
per completare il processo i corrosivo, proprio grazie all’elevata
conduttività elettrica del grafene che offre dunque un cammini
alternativi al movimento degli elettroni verso il catodo.
NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 9 | OCTOBER
2014 | www.nature.com/naturenanotechnology
Grafene come sequenziatore
Nano-pori in strutture solide possono
servire per analizzare e manipolare oggetti
alla nanoscala e possono essere impiegati
in applicazioni quali l’analisi di
nanoparticelle, la filtrazione dell’acqua.
I’ analisi di biomolecole.
Attraverso la tecnologia dei nanopori il
grafene potrebbero un giorno essere
utilizzato per il sequenziamento del DNA.
NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 9 | OCTOBER 2014 | www.nature.com/naturenanotechnology
Applicvazioni biomediche del Grafene
Graphene in the sky and beyond
Applicazione del grafene nell’aerospazio.
a) Parti differenti per applicazioni diverse.
b), d): Applicazioni disponibili a breve
termine. Nanocompositi (b) a base di
ossido di grafene (d) per rivestimenti per
dissipazione di carica.(Scala in b, 40 μm).
c) ; e): Applicazioni future in cui il grafene
può essere integrato in dispositivi
elettronici.
NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 9 | OCTOBER 2014 | www.nature.com/naturenanotechnology
Il Grafene nella tela del ragno
Una ricerca condotta all’ Università di Trento dal
team del Prof. Nicola Pugno, ha portato alla
creazione di un materiale ibrido che unisce la
resistenza della seta del ragno a quella del grafene.
Su alcuni ragni della specie Pholcidae sono state
nebulizzata una sospensione acquosa di particelle di
grafene della grandezza di 200-300 nanometri. In
seguito al trattamento, alcuni ragni hanno prodotto
dei filamenti di sorprendente qualità.
Grazie per l’attenzione!