LA CHIMICA E LE NUOVE FRONTIERE DEI MATERIALI

1. LA CHIMICA E LE NUOVE FRONTIERE DEI MATERIALI Corso di Scienze e Tecnologie Applicate Prof. PANARONI A. ITIS E. Mattei - URBINO

2. I materiali sono gli elementi necessari per la produzione di oggetti (prodotti) destinati a soddisfare i bisogni dell'uomo. Sono da intendersi come materiali quelle materie indispensabili per compiere un determinato un lavoro, dette 'input' del processo produttivo, senza le quali una determinata attività produttiva non può essere portata a termine COSA SONO I MATERIALI?

3. DI COSA SONO FATTI I MATERIALI? • I materiali sono ricavati dalle risorse naturali in modo diretto o indiretto. • Quando una risorsa naturale può essere utilizzata per produrre materiali viene definita materia prima. • I materiali possono essere ricavati anche da materie prime seconde e da prodotti semilavorati.

4. LA SCIENZA DEI MATERIALI Le proprietà e lo sviluppo di nuovi materiali sono il campo delle scienze dei materiali. Nel decennio 1960-70 quando aumentò l’esigenza di materiali ad alte prestazioni per aerei e per l’elettronica e divenne importante capire come mai piccole aggiunte di altri metalli riuscivano a modificare drasticamente la resistenza di una lega. La microscopia elettronica§ permise di evidenziare la presenza di difetti nella struttura. Questi difetti controllano la capacità di deformare un materiale. §Il primo prototipo di SEM è del 1938, il primo SEM commerciale è stato costruito e distribuito agli inizi degli anni ’60 dalla Cambridge Instrument Company Inc.

5. Classificazioe dei materiali • I materiali possono essere classificati secondo diverse categorie: • Origine • Utilizzo • Composizione • Innovatività • Tipologia

6. Classificazione per ORIGINE

7. Classificazione • I materiali si possono classificare in base alla loro ORIGINE: • Naturali: sono già presenti in natura e subiscono solo le lavorazioni necessarie al prelievo e alla raffinazione (metalli, legno, carta, fibre tessili…) • Artificiali: partendo da materiali naturali con trasformazioni chimiche semplici ne modifichiamo le proprietà (rayon dalla cellulosa, MaterBì dall’amido di Mais) • Sintetici: il materiale subisce una radicale trasformazione dalla materia prima che lo ha generato (plastiche e resine varie)

8. Classificazione per UTILIZZO

9. Classificazione • I materiali si possono classificare in base al loro UTILIZZO: • Edilizia • Elettronica • Meccanica • Industria alimentare • Arredamento…

10. Classificazione in base alla COMPOSIZIONE

11. Classificazione • I materiali si possono classificare in base al loro “STATO CHIMICO”: • Sostanze Pure • Miscugli Omogenei • Miscugli Eterogenei

12. Classificazione per INNOVAZIONE

13. Classificazione • I materiali si possono classificare in base al loro INNOVATIVITA’ • Materiali tradizionali • Superconduttori • Semiconduttori • Polimeri - Biopolimeri intelligenti • Leghe superplastiche – vetri metallici • nanomateriali

14. NUOVI MATERIALI - SUPERCONDUTTORI i) Materiali a resistenza elettrica nulla. H.Kammerling Onnes[1] 1911,  mercurio raffreddato alla temperatura dell’Elio liquido (4.22K) presentava resistenza elettrica nulla, scoprì così la superconduttività. ii) Diamagnetismo I materiali superconduttori vengono respinti da un campo magnetico, se la forza del campo magnetico applicato è inferiore ad un determinato valore limite. La repulsione del magnete di fatto permette al materiale di levitare sul magnete; se la temperatura viene aumentata al di sopra di Tc il superconduttore perde la sua proprietà. [1] Nobel nel 1913.

15. NUOVI MATERIALI - SUPERCONDUTTORI

16. NUOVI MATERIALI - SUPERCONDUTTORI YBa2Cu3O7

17. NUOVI MATERIALI - SUPERCONDUTTORI IMPIEGHI ATTUALI DEI SUPERCONDUTTORI • solenoidi di piccole dimensioni, fino a 20T, sia per la ricerca che per la spettroscopia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) che per la MRI (Magnetic Resonance Imaging) . • solenoidi di grandi dimensioni essenzialmente per gli impianti per la fusione termonucleare controllata • magneti per la fisica delle alte energie, sia per focalizzare ed accelerare i fasci di particelle negli acceleratori, sia per i rivelatori delle particelle stesse • sistemi di accumulo di energia magnetica SMES (Superconducting Magnet Energy Storage) • sistemi di trasporto basati sulla levitazione magnetica, dove sono richiesti campi magnetici elevatissimi (MAGLEV train) • sistemi meccanici senza attrito (cuscinetti magnetici,…)

18. NUOVI MATERIALI - SEMICONDUTTORI • La ricerca attuale nel campo dei semiconduttori si rivolge allo sviluppo di materiali con proprietà di convertire la luce in energia elettrica (tecnologia fotovoltaica) e viceversa (tecnologia LED) • Materiali quali GaAs (arsenuro di Ga) o CdTe (Telluluro di Cd) hanno un migliore rendimento del Si nella tecnologia fotovoltaica (η=25%); sempre usando questi materiali si possono produrre LED ad alta luminosità

19. NUOVI MATERIALI – METALLI AMORFI Vetri metallici (METALLI AMORFI) Si ottengono allo stato amorfo (= disordinato), variando opportunamente la velocità di raffreddamento. Nella pratica si formano vetri solo quando abbiamo sostanze che cristallizzano con difficoltà (tempo elevato per organizzare la struttura cristallina) Se si raffredda una massa fusa contenente due o più metalli miscibili è possibile ottenere un materiale amorfo, cioè un VETRO METALLICO poiché le leghe cristallizzano più difficilmente rispetto ad un metallo puro. Nel 1960 Duwez ottenne i primi vetri metallici. Esempio di composizione di vetri metallici: Ni63Pd17P20 e Pd78Cu6Si16, Nb40-60Ni60-40.

20. NUOVI MATERIALI – METALLI AMORFI La velocità di raffreddamento elevata (105 °C/s) si realizza dirigendo un getto di metallo fuso sopra un rullo di rame rotante raffreddato all’interno. Il prodotto è un nastro che somiglia ad una lega ordinaria. I vetri metallici sono duttili e presentano una resistenza alla tensione 3 volte maggiore di quella dell’acciaio. I vetri metallici hanno già diverse applicazioni industriali nelle costruzioni aeronautiche.

21. NUOVI MATERIALI – METALLI AMORFI Ni-P

22. NUOVI MATERIALI – METALLI AMORFI http://www.materialstoday.com/pdfs_7_3/telford.pdf

23. NUOVI MATERIALI – POLIMERI INTELLIGENTI Il kevlar,(1965 - Dupont) è una fibra sintetica polimerica, che a parità di peso è 5 volte più resistente dell'acciaio. Il kevlar viene utilizzato per la costruzione di giubbotti antiproiettile, di attrezzature per gli sport estremi, di componenti per gli aeromobili. La resistenza alla penetrazione è valida contro i proiettili, meno contro le baionette e i coltelli. La combinazione kevlar-leghe di alluminio o titanio, è usata anche in aeronautica. Il kevlar è anche il materiale di cui è fatto il costume di Batman, sia nei fumetti, sia nel film Batman Begins.

25. NUOVI MATERIALI – POLIMERI INTELLIGENTI BIOPOLIMERI RIASSORBIBILI: Il primo polimero di sintesi impiegato per l’ingegneria tissutale è stato un copolimero di acido lattico e acido glicolico. Esso è dotato di buone caratteristiche meccaniche, biocompatibilità e biodegradabilità. Polimeri derivati dall’acido poliglicolico sono stati utilizzati già negli anni ’70 come materiali per sutura, chiodi, viti, placche, come mezzi per il rilascio controllato di farmaci e come supporti artificiali temporanei per la crescita di tessuti. Dalla fine degli anni ’90 viene utilizzato per la correzione delle lipodistrofie e più di recente è stato introdotto in medicina estetica come filler a lunga durata d’azione.

26. NUOVI MATERIALI – NANOMATERIALI Nanotubi di carbonio Molecola di Fullerene (C60) I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni che consistono di cilindri di grafene. Furono scoperti nel 1991 da S. Iijima quasi per caso, durante la sintesi di fullereni per evaporazione ad arco.

27. A cosa serviranno i nanotubi? Proprietà Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli) Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaio Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del rame Stabilità: resistono fino a 2800°C Costi: 150 volte più dell’oro Future applicazioni Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte più piccoli di quelli attuali Sonde chimiche: per scansionare le molecole Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani Nanopinze: per afferrare le molecole Nanobilance: per pesare gli atomi Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno

28. NUOVI MATERIALI – NANOELETTRONICA 1 cm2 di silicio potrà ospitare 40 miliardi di nanotransistor, 150 volte più del numero attuale. Un transistor 20 mila volte più sottile di un capello NANOTRANSISTOR NEC: 5 nm (18 volte più piccolo di quelli ora in produzione) SiO2 ORO ORO Piridina + Co + S MOLECOLA

29. Aerogel L'aerogel è una sostanza allo stato solido simile al gel nella quale il componente liquido è sostituito con gas. Il risultato è una schiuma solida con parecchie proprietà particolari (sistema solido-gas). Anche la meringa è un aerogel diversi tipi di Aerogel. L'aerogel di SiO2 sostanza solida meno densa conosciuta; composta dal 99,8% di aria e dal 0,2% di SiO2 diossido di silicio (silice), il principale componente del vetro. 1000 volte meno denso del vetro, ottimo isolante termico, presenta un’ottima resistenza meccanica.

30. Nanoparticelle di oro per i nuovi catalizzatori Immagine HRTEM 2 nm L'oro contro i cattivi odori: I catalizzatori a nanoparticelle d’oro vengono ora testati come dispositivi per l’eliminazione dei cattivi odori. Nei piccoli impianti di climatizzazione come quelli delle automobili possono impedire la formazione degli odori generati dai batteri presenti nel sistema. In Giappone sono già utilizzati nei gabinetti.

31. NUOVI MATERIALI – BIOCERAMICI Bioceramici Tra i materiali nuovi vanno ricordati i bioceramici che possono essere ossidi, come allumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), vetri bioattivi ricoprenti di protesi metalliche. biocompatibilità, cioè la capacità di non provocare il rigetto dell’impianto. Primi impianti protesici  materiali naturali come avorio, corallo, metalli e legno. Solo in tempi molto recenti la tecnologia delle polveri (sinterizzazione) ha permesso di mettere a punto questi materiali

32. Classificazione per tipologia

33. Classificazione per tipologia • Metallici: formati prevalentemente da metalli e leghe metalliche (Al, Acciaio, ottone) • Polimerici: plastiche sintetiche (PET,PVC) o fibre naturali (cotone, cellulosa,…) • Ceramici o Vetrosi: Sono formati da atomi come Si, Al, Ti, Zr, N, C combinati con ossigeno e talvolta metalli del primo o secondo gruppo. • La combinazione di due o più tipologie dà origine ad un materiale composito

34. TIPOLOGIE DI MATERIALI Le tre classi di materiali distinti sulla base di esempi dei tre tipi e loro combinazioni per formare materiali compositi http://matse1.mse.uiuc.edu/

35. PROPRIETA’ DEI MATERIALI

36. PROPRIETA’ DEI MATERIALI PROPRIETA’:Forniscono indicazioni riguardanti le attitudini che hanno i materiali a lasciarsi trasformare od a resistere agli sforzi esterni • CHIMICHE • FISICHE • MECCANICHE • TECNOLOGICHE • MAGNETICHE

37. PROPRIETA’ tecnologiche magnetiche fisiche chimiche meccaniche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia Riguardano i fenomeni che si producono fra il materiale in considerazione e l’ambiente in cui esso è posto Indicano l’attitudine di un materiale a resistere alle sollecitazioni esterne che tendono a deformarlo Indicano l’attitudine di un materiale ad essere lavorato in un dato modo Indicano l’attitudine dei materiali metallici, posti in un campo magnetico, a modificare le proprietà del campo stesso. Tra le quali: Si distinguono: • DENSITA’ • Dilatazione termica • Capacità termica massica (calore specifico) • Conducibilità termica • Conducibilità elettrica • Plasticità • Duttilità • Malleabilità • Fusibilità • Saldabilità • Truciolabilità • Temprabilità • SOLLECITAZIONI • Statiche • Dinamiche • A fatica • DEFORMAZIONI • Elastiche • Permanenti Sensibilità magnetica Struttura: (cristallizzazione, difetti) Reattività: (corrosione, ossidazione, …) • Paramagnetici (insensibile, ma rafforza il campo, sono debolmente attratti. Es. Alluminio, Cromo) • Ferromagnetici(molto sensibili, molto attratti. Es. ferro, acciai e ghise) • Diamagnetici (insensibili, indeboliscono il campo, sono respinti Es.oro)

38. Proprietà fisiche La temperatura di fusione ( o punto di fusione ) • La temperatura di fusione è la temperatura alla quale un materiale comincia a passare dallo stato solido allo stato liquido. • La temperatura di fusione di un metallo/materiale puro è costante • Dipende dalla struttura chimica (sostanza metallica – ionica – reticolare, generalmente Tfus elevata; sostanza molecolare Tfus bassa)

39. Proprietà fisiche Alcuni punti di fusione di materiali (°C) • Carburo di afnio HfC 4150 • Carbonio C 3500 • Tungsteno W 3460 • Carburo di titanio TiC 3120 • Ossido di magnesio MgO 2798 • Biossido di zirconio ZrO2 2750 • Carburo di silicio SiC 2500 • Titanio Ti 2070 • Ossido di alluminio Al2O3 2050 • Ferro Fe 1535 • Oro Au 1067 • Alluminio Al 660 • Piombo Pb 327

40. Proprietà fisiche La densità (massa volumica) Si definisce DENSITA’ o massa volumica il rapporto fra la massa di un corpo e il suo volume. • δ=m/V • [δ]si = Kg/m3 • Ci indica la leggerezza del materiale • δ OSMIO = 22400 • δ ACCIAIO = 7800 • δ ALLUMINIO = 2700 • δ MAGNESIO = 1740 • δ ACQUA = 1000 • δ LITIO = 535

41. Proprietà fisiche Conducibilità elettrica • Attitudine di un materiale a trasmettere la corrente elettrica • solitamente misuriamo la Resistenza elettrica: R=1/C • Legge di Ohm: • ρ ACCIAIO = 2*10-7Ω*m • ρ RAME = 1,73*10-8Ω*m

42. Proprietà fisiche

43. Proprietà fisiche • Può essere lineare, superficiale o volumetrica • α è il coefficiente di dilatazione lineare • alcuni valori per i materiali più comuni in (K−1)

44. Proprietà fisiche

45. Proprietà fisiche k per alcuni materiali (W/m*°C)

46. Proprietà fisiche

47. Proprietà chimiche Le proprietà chimiche esaminano le seguenti caratteristiche: Struttura (natura dei legami esistenti tra gli atomi e disposizione delle particelle, cristallina o amorfa) Comportamento (reattività del materiale alla corrosione, ossidazione e ad altri aggressivi chimici)

48. Proprietà chimiche - strutturali • La maggior parte delle proprietà chimiche, fisiche, tecnologiche e meccaniche dipende dalla struttura del materiale • cristallinità: il materiale può essere cristallino o amorfo; nel secondo caso può essere considerato un fluido molto viscoso • lo stesso materiale, ottenuto come solido amorfo rispetto al cristallino risulta meno fragile, più malleabile, meno duro…

49. Proprietà chimiche - strutturali Isotropia: Un materiale può essere isotropo o anisotropo; si dice isotropo se ha le stesse proprietà in tutte le direzioni; Es. di materiali ANISOTROPI: Grafite Legno

50. Proprietà chimiche - strutturali • tipologia di reticolo • Le particelle (atomi nelle sost. Metalliche, ioni nelle Ioniche, molecole nelle Molecolari) si ordinano per formare un reticolo cristallino; • Dipende dalle forze inter-particelle e dalle dimensioni delle stesse; • Genera una serie di proprietà (durezza, malleabilità…)