Materiali nel trasporto terrestre Materiali nel

La formazione di esperti dei materiali nel ruolo di consulenti industriali per l'utilizzazione e la produzione dei materiali non può che afferire alle Facoltà
di ingegneria, essendo indispensabile una solida mentalità ingegneristica principalmente per quanto attiene alla loro capacità di risolvere problemi
ingegneristici. Solo in queste facoltà esistono le condizioni che consentono, sulla base di adeguate conoscenze delle materie di base, delle discipline
ingegneristiche fondamentali e dell'uso dei mezzi informatici, di sviluppare in modo approfondito, argomenti di carattere chimico, fisico, meccanico ed
elettronico sulla natura dei materiali e sulla interdipendenza fra proprietà e microstruttura, sui fenomeni che regolano i processi di produzione e la
conduzione degli impianti, sulle possibilità di modificare le proprietà dei materiali con opportuni trattamenti termici, meccanici o di altra natura.
Al Politecnico di Torino sono presenti spettri di competenze specifiche assai ampi, specie se confrontati con quelli di altre sedi universitarie dell'Italia
nord-occidentale. Il territorio industriale di riferimento è assai esteso e caratterizzato da un ampio tessuto di industrie che utilizzano o producono i
migliori materiali tradizionali e quelli più avanzati di tutto il territorio nazionale. In esso già esiste un mercato di lavoro che deve essere occupato e che
è destinato a espandersi. Vi è una forte domanda di formazione altamente qualificata nell'area dei materiali, per garantire l'indispensabile competitività
delle industrie anche in questo fondamentale settore.
Materiali nel trasporto terrestre
Materiali nel trasporto aereo/spaziale
Materiali nell'industria chimica
Materiali per dispositivi di abbattimento di inquinanti
Materiali per l'elettronica e l'optoelettronica
Materiali per fonti alternative di energia
Materiali nell'industria cartaria
Materiali per applicazioni biomediche
Nanomateriali
Materiali nel trasporto terrestre
Nell'ambito del settore del trasporto terrestre, così importante nell'area nord-occidentale del Paese, è certamente indispensabile la presenza di
competenze tali da consentire l'ottimizzazione della progettazione di componenti basata su una conoscenza delle correlazioni fra struttura e proprietà
che consenta di influire sulla scelta dei materiali e sulle tecnologie di elaborazione, valutando con competenza le possibilità offerte dai nuovi materiali,
quali ad es. i materiali compositi a matrice polimerica o metallica, i tecnopolimeri, le leghe altoresistenziali e quelle leggere, i materiali ceramici non
tradizionali, ecc., per poter affidare loro un ruolo significativo nella competizione tecnologica.
Materiali nel trasporto aereo/spaziale
Considerazioni analoghe possono essere formulate per quanto concerne il settore aeronautico e aerospaziale. I materiali per queste applicazioni
devono soddisfare a standard elevati di prestazioni, avere requisiti di leggerezza, presentare affidabilità estremamente elevate. Ne consegue che
questi materiali sono quelli con funzioni strutturali i prodotti che presentano più elevato grado di sofisticazione e alto costo.
Materiali nell'industria chimica
Per quanto concerne l’ambito dell’industria chimica ogni innovazione di processo richiede per gli impianti la disponibilità di materiali adeguati, spesso
in grado di lavorare con grande affidabiltà in condizioni estreme per quanto concerne la temperatura, la pressione, l’aggressività dei sistemi da
elaborare. La scelta dei materiali è in questo caso particolarmente basata sulla conoscenza dei fenomeni chimico-fisici che regolano e condizionano i
processi tecnologici e la disponibilità di laureati che accomunino conoscenze ingegneristiche e quelle sui materiali sono indispensabili in questo
settore industriale.
Materiali per dispositivi di abbattimento di inquinanti
Il controllo delle emissioni inquinanti rappresenta un'esigenza largamente avvertita che ha imposto lo sviluppo di tecnologie dedicate e di materiali
innovativi progettati in modo specifico. Le marmitte catalitiche ed i dispositivi anti-particolato rappresentano gli esempi più comuni di applicazioni in
questo settore.
Materiali per l'elettronica e l'optoelettronica
I materiali e le tecnologie realizzative di vitale importanza per l’innovazione tecnologica dell’elettronica costituiscono un fattore prioritario per gli
sviluppi futuri di industrie e di laboratori di ricerca che hanno conquistato o desiderano acquisire una dimensione europea. I settori quali la
microelettronica, le microonde, la conversione diretta dell’energia, la componentistica nell’infrarosso e in generale l’optoelettronica, vedono nell’area
nord-occidentale del Paese la maggiore concentrazione di industrie manifatturiere nel campo delle ICT (Information and Communication
Technologies). L’elemento innovativo tecnologico sempre più si basa sullo sfruttamento delle caratteristiche fisiche dei materiali, dai semiconduttori
composti, ai materiali amorfi, ai ceramici avanzati, e sulla conoscenza e sull’impiego delle loro "anomalie".
Materiali per fonti alternative di energia
Il superamento della dipendenza dalle risorse petrolifere e la necessità di individuare fonti energetiche rinnovabili richiedono lo sviluppo di nuove
tecnologie per la produzione di energia: celle a combustibile, fotovoltaico, fusione nucleare. I materiali destinati ad operare nei relativi impianti sovente
devono fronteggiare ambienti estremi o possedere specifiche caratteristiche funzionali.
Materiali nell'industria cartaria
A partire dall’anno accademico 1996/97, il corso di laurea in Ingegneria dei Materiali ha attivato l’orientamento Materiali per l’industria Cartaria, al fine
di offrire ad alcuni studenti opportunamente selezionati la possibilità di frequentare per un anno l’EFPG di Grenoble e di conseguirvi il diploma di
ingegnere cartario. Questa iniziativa, attualmente unica a livello nazionale, è stata favorevolmente accolta da alcune aziende operanti nel settore
cartario, che hanno deciso di sponsorizzarla; è così possibile formare ingegneri altamente specializzati in un settore per quale in precedenza non
esistevano corsi universitari specifici.
Materiali per applicazioni biomediche
I materiali progettati per applicazioni biomediche sono diventati progressivamente sempre più numerosi in termini di classi di appartenenza (polimerici,
metallici, ceramici) come pure si è arricchita la gamma di possibili applicazioni (protesi, organi e tessuti artificiali ecc.). Il settore industriale di
produzione di tali materiali è in costante crescita.
Nanomateriali
Le esigenze tecnologiche attuali e future impongono il rispetto di tre importanti requisiti:
Migliori prestazioni
Processi più rapidi
Costi ridotti in termini di consumo di risorse naturali e energia
La ricerca di nuovi materiali e il miglioramento di quelli esistenti non possono prescindere da questi tre capisaldi intimamente connessi tra di loro. E’
infatti impensabile la spinta verso prestazioni superiori se poi queste prestazioni non sono fruibili a causa dei costi troppo elevati o di un processo non
disponibile su scala industriale.
Le potenzialità offerte dalle nanostrutture sono enormi e rivoluzioneranno i modi in cui i materiali e i prodotti verranno creati, inoltre amplieranno
l’orizzonte delle possibili applicazioni. La sintesi dei materiali su scala nanometrica può ulteriormente estendere lo spettro delle proprietà dei materiali
e degli attuali dispositivi.
Quali
sono
le
possibili
applicazioni
dei
nanomateriali?
Le applicazioni potenziali sono veramente moltissime, alcune delle quali già consolidate, altre in fase di studio e sviluppo. Esse comprendono i
rivestimenti per barriere termiche e ottiche, materiali per sensori, nanocoatings multifunzionali, dispositivi per l’elettronica e l’optoelettronica,
catalizzatori e sensori per l’industria chimica, celle solari e microcombustori, biosensori e biocatalizzatori per il settore biomedico, fino ad arrivare agli
utensili da taglio ad elevata durezza e tenacità, e moltissime altre applicazione in campo meccanico.
La scienza e la tecnologia delle nanostrutture è un’area di ricerca interdisciplinare, che si è espansa rapidamente negli ultimi anni ed è in continua
crescita in tutto il mondo. Essa si sviluppa in tre direzioni principali:
ricerca di metodi di sintesi ottimali per la manipolazione dei building blocks nanometrici
caratterizzazione con risoluzione atomica dei materiali
migliore comprensione delle relazioni tra nanostruttura e proprietà
Ogni anno il numero di ricercatori introdotti in questo settore è in forte crescita. L’approccio alle nanostrutture richiede di cambiare il modo tradizionale
di concepire processi e materiali poiché a livello nanometrico abbiamo comportamenti nuovi ed inusuali che richiedono mezzi particolari per essere
compresi.
Da questa breve introduzione appare subito evidente come l’ingegnere dei materiali possa inserirsi in modo naturale e dare il suo contributo nella
comprensione delle nanostrutture e nel loro successivo sviluppo.
Lo scopo fondamentale del corso in questo settore è la formazione di esperti che siano in grado di interagire con i vari settori disciplinari all’interno di
una filosofia non convenzionale.
Catene e fili di nanoparticelle
Verso la fine degli anni ottanta si è iniziato a pensare all’utilizzo di catene e fili molecolari in applicazioni optoelettroniche e computazionali.
Aggregati di nanoparticelle sotto forma di catene possono essere visti come unità polimeriche e sono stati studiati come materiali magnetici, rinforzo
per
elastomeri
e
additivi
nei
cementi.
Questi aggregati hanno mostrato proprietà chimiche e meccaniche differenti da quelle delle singole particelle. La natura dei legami che tiene insieme
gli aggregati varia da deboli legami di Van der Waals, per le particelle micrometriche, a forti legami magnetici dipolari, per nanoparticelle magnetiche.
Controllando quindi il diametro, la monodispersità, la struttura cristallina e la morfologia delle particelle primarie è possibile variare le proprietà
meccaniche,
ottiche
ed
elettroniche.
I metodi di formazione degli aggregati si basano sull’agglomerazione delle nanoparticelle, il cui requisito fondamentale è possedere un’elevata area
superficiale ed una morfologia isotropa.
Elettronica a singolo elettrone
La recente apparizione di nuove tecniche e strumenti capaci di produrre strutture con dimensioni variabili da 0,1 a 50 nm ha aperto diverse vie per la
ricerca di nuove apparecchiature in un dominio dimensionale prima inaccessibile. Il punto focale è però determinare il limite esatto in cui la riduzione
delle dimensioni e l’incremento di complessità dei chips in silicio diventano tecnicamente impossibili o economicamente impraticabili.
In molti laboratori sta crescendo la ricerca volta verso apparecchiature a singolo elettrone (SEDs). Il concetto di base sta nello sfruttare un gap di
Coulomb per controllare il trasferimento di singole cariche. Il metodo più promettente per produrre apparecchiature a livello nanometrico è la tecnica
d’auto-assemblaggio estesa al CVD. I materiali usati per la costruzione di SEDs variano da cluster di cariche modellate da campi elettrici a colloidi
metallici
o
singoli
oligomeri.
I progressi in questo campo sono però ostacolati dalle architetture in cui i SEDs sono usati. Esse sono basate su un approccio ai circuiti
convenzionale; ciò comporta limiti nella velocità dei circuiti così progettati e l’uso di molti elementi SED per avere delle semplici funzioni.
Fullereni
I fullereni sono delle molecole a gabbia uniche nella loro specie per la loro molteplicità legata alla dimensione, forma, peso molecolare e per la
caratteristica simmetria icosaedrica. La maggior parte degli sforzi è stata diretta nello studio del fullerene C60, grazie ai quali si produce C60 con una
purezza di 1/1000. Un parametro importante per descrivere una molecola di fullerene è il numero di atomi di carbonio che la compongono e la forma
d’ogni
isomero
corrispondente
a
quella
specie.
I metodi di produzione sono la vaporizzazione laser e la scarica ad arco; apportando delle modifiche alle tecniche sopraccitate si può modificare la
massa e la distribuzione degli isomeri, ma solamente per i fullereni più leggeri. Gli sforzi maggiori sono stati rivolti per aumentare l’efficienza del
processo
di
sintesi
e
la
purezza
del
C60.
Diversi studi sono rivolti al rivestimento delle molecole di fullerene con metalli alcalini e alcalino-terrosi. L’inserimento di metalli alcalini nel reticolo
cristallino del C60 ne altera la struttura iniziale e porta grandi modifiche nelle proprietà. L’evoluzione di questi studi è di particolare interesse soprattutto
per le possibili applicazioni nel campo dei catalizzatori e materiali catalitici.
Materiali ad elevata area superficale
Particolarmente interessante per i ricercatori è il fatto che le nanostrutture abbiano un elevata area superficiale; essa si può ottenere sia producendo
piccole particelle o clusters in cui il rapporto superficie/volume è molto alto, sia creando dei materiali porosi in cui l’area superficiale dei vuoti sia
elevata se comparata con il resto del materiale. Materiali come catalizzatori con metalli altamente dispersi e clusters prodotti da fasi gassose ricadono
nella prima categoria, mentre materiali microporosi come le zeoliti, ossidi ad elevata area superficiale, carbonio poroso e silice amorfa cadono nella
seconda
categoria.
Esistono diverse aree nell’attività accademica e industriale dove l’approccio nanostrutturale ai materiali ad elevata area superficiale può avere un
impatto significativo:
materiali microporosi per l’immagazzinamento d’energia (per celle a combustibile) e per processi ad elevata selettività d’assorbimento e
separazione (rimozione di H2O, CO2, H2S)
barriere termiche per motori operanti ad elevate temperature
catalizzatori specifici per processi petrolchimici
materiali ad elevata resistenza e tenacità nel campo delle costruzioni
Le due maggiori sfide che si devono affrontare per creare e utilizzare materiali nanostrutturati ad elevata area superficiale sono il controllo
dimensionale e della stabilità chimico/termica della nanostruttura. Ad esempio nei catalizzatori è importante che ogni sito attivo abbia la stessa
struttura e composizione. In generale più piccola è la nanostruttura, più facilmente questa può decomporsi, cambiare forma e composizione, essere
inquinata al variare delle condizioni ambientali. Diventa quindi importante per applicazioni commerciali trovare delle zone di stabilità in cui il materiale
mantenga le sue proprietà.
Motore Molecolare ed altre applicazioni dei Nanomateriali in campo biologico
Il motore molecolare in campo biologico è ad esempio formato da un insieme di flagelli batterici ed ha un diametro di 20 nm. Esso è composto da più
di 10 differenti proteine. Il motore ha il compito di far ruotare i flagelli, trasformando l’energia chimica (in questo caso sodio o proteine) in energia
meccanica. Altri esempi di motore includono RNA polimerase, miosina o F1ATPase e il combustibile usato è l’ATP (trifosfato adenosina). Il ruolo di
questi
motori
è
quello
di
trasportare
molecole
nell’ambito
della
costruzione
di
device
nanometrici.
Molecole e sistemi biologici hanno diverse caratteristiche che li rendono altamente appetibili per applicazione nanotecnologiche. Ad esempio, le
proteine si strutturano in precise forme tridimensionali, gli acidi nucleici seguono precise regole d’assemblaggio e gli anticorpi riconoscono in modo
specifico
i
loro
obiettivi.
L’abilità delle molecole biologiche di poter essere assemblate in maniera gerarchica, le rende ideali nel campo delle nanotecnologie. L’autoassemblaggio inizia con monomeri di molecole, i quali formano polimeri. Questi creano a loro volta strutture monodimensionali (membrane ad
esempio) ed infine si arriva a organi e organismi. Il materiale organico si può quindi organizzare su differenti scale di lunghezza.
Nanofibre
I progressi nella fabbricazione di fibre nanometriche offrono un’altra forma di building blocks per materiali nanostrutturati. Le applicazioni di queste
strutture monodimensionali con diametri che variano tra 3 e 15 nm sono in campo optoelettronico, come ad esempio giunzioni p – n per l’emissione di
luce. Nanofibre metalliche, sintetizzate sfruttando dei nanotubi in carbonio come template, sono molto utili nel progetto di materiali per l’assorbimento
d’infrarossi.
Un modo effettivo per generare fibre nanometriche è basato sull’uso di membrane. Tali membrane, con nanocanali generati tramite attacco
elettrochimico di alluminio metallico, sono usate come forme per la deposizione chimica o elettrochimica di polimeri conduttivi, metalli, semiconduttori
e altri materiali. Il diametro e il fattore di forma delle nanofibre prodotte con questa tecnica è molto preciso.
Accanto alle nanofibre possono essere citati i nanowires in Si28 prodotti tramite Floating Zone Melting di Si, Si-Ge presso i laboratori del NIMS di
Tsukuba da Tetsuji Noda. Le applicazioni più promettenti sono nel campo dei semiconduttori, ma vi sono possibili estensioni anche in applicazioni
meccaniche ed elettroniche.
Nanotubi di carbonio
I nanotubi di carbonio sono caratterizzati non solo da eccellenti proprietà meccaniche, ma anche da proprietà elettroniche e termiche interessanti. Il
metodo principale di produzione di nanotubi a parete singola e a più pareti è quello CVD con scarica ad arco; ma altre evoluzioni di questo metodo
sono allo studio in tutto il mondo come ad esempio il l’ablazione laser su una barra di grafite. Lo scopo finale è il miglioramento del rendimento dei vari
metodi e la separazione dei nanotubi dalle altre forme di carbonio che si formano nei processi di produzione.
I nanotubi hanno proprietà meccaniche migliori di quelle delle fibre di carbonio; possono quindi essere sfruttati per fabbricare nuovi materiali compositi
con caratteristiche di bassa densità, altissima rigidezza (il modulo elastico dei nanotubi s’aggira intorno a circa 2 x 109 Pa) e resistenza assiale (grazie
alla
struttura
cilindrica
grafitica
senza
giunzioni).
Per quanto riguarda le proprietà elettroniche, esse sono influenzate dal diametro dei nanotubi e dalla loro chiralità e possono essere sfruttate per
creare apparecchiature su scala nanometrica. Comunque, a dispetto delle tante potenziali applicazioni menzionate in letteratura, solo la notevole
proprietà d’emissione di campo è stata sfruttata in un applicazione pratica ovvero in un tubo a raggi catodici. Uno dei principali ostacoli che rallenta lo
sviluppo in questo campo resta la difficoltà di controllare la manipolazione d’oggetti su scala nanometrica.
Quantum Dot lasers
I quantum dots possono essere paragonati a delle isolette delle dimensioni di una decina di nanometri, costituite in genere da materiale
semiconduttore (per esempio poli-silicio o arseniuro d’indio). Essi vengono prodotti sfruttando tecniche di crescita epitassiale, usate nella formazione
di film sottili. Il campo dei quantum dots semiconduttori è abbastanza attivo, in particolare quello degli emettitori ottici. I laser a semiconduttore
giocano un ruolo chiave in molti prodotti come lettori di compact disk, stampanti laser e in un prossimo futuro nella comunicazione ottica. L’uso di
questi nuovi materiali come strato attivo nei laser permetterà d’avere correnti di soglia più basse e apparecchiature più efficienti.
Gli studi e le ricerche odierne puntano ad ottenere una struttura ottimale dello strato attivo modificando la densità, la posizione e l’impacchettamento
dei quantum dots. Restano comunque ancora molti problemi da risolvere per ottimizzare la struttura del laser come il raggiungimento di un’uniformità
delle dimensioni, il controllo di elevate densità di quantum dots e la comprensione delle dinamiche di confinamento dei portatori di carica.