LA CHIMICA E LE NUOVE FRONTIERE DEI
MATERIALI
Ledi Menabue
Università degli studi di Modena e
Reggio Emilia
Istituto tecnico BURGATTI- Cento
COSA SONO I MATERIALI?
 Un materiale è definito come “qualcosa” che ha caratteristiche
che lo rendono utilizzabile nel produrre macchinari, oggetti e
dispositivi.
 Un materiale è spesso costituito da una fase organizzata
formata dall’assemblaggio di sub-unità; le proprietà del
materiale sono fortemente dipendenti dalle interazioni tra le
sub-unità.
DI COSA SONO FATTI I MATERIALI?
 I materiali sono formati da atomi di elementi;
l’Universo e’ costituito da atomi di elementi
LA SCIENZA DEI MATERIALI
La scienza dei materiali è diventata una disciplina scientifica 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.
I MATERIALI
Il primo materiale che l’uomo imparò ad usare probabilmente fu la pietra,
che è un insieme di minerali e di materiali ceramici naturali.
La pietra era sfaldabile e poteva essere foggiata in varie forme come
punte per ottenere lance, era dura, resistente al fuoco.
In seguito l’uomo imparò a distinguere i vari tipi di pietra a seconda delle
loro proprietà.
MICROSTRUTTURA
Esistono tre tipologie di materiali: materiali metallici, ceramici e
polimerici. I tre tipi di materiali sono distinti dal diverso legame chimico
tra gli atomi costituenti, dagli elementi tipici che li costituiscono e dalla
microstruttura e danno origine a proprietà diverse e a diversi campi di
impiego.
La microstruttura descrive la struttura di un materiale in un intervallo di
dimensioni 1mm> dimensioni > 0.1micron
CLASSI 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/
MATERIALI METALLICI
I materiali metallici sono elementi e leghe.
Esistono anche i vetri metallici.
MATERIALI CERAMICI
I CERAMICI sono dei composti solidi formati da
almeno 2 elementi e prodotti per trattamento
termico
I ceramici sono non-combustibili e non-ossidabili.
MATERIALI POLIMERICI
I MATERIALI POLIMERICI sono materiali formati da catene di
atomi di carbonio, le catene sono costituiti da una unità
chimica che si ripete; essi possono essere stampati o
modellati in forme.
Essi vengono anche detti MATERIE PLASTICHE.
Le materie plastiche possono essere divise in due classi
MATERIALI TERMOPLASTICI E TERMOINDURENTI.
MATERIALI POLIMERICI
I materiali termoplastici possono essere sottoposti a
diversi cicli di lavorazione caldo-freddo conservando le
loro caratteristiche.
I materiali termoindurenti sono modellati nella forma
definitiva una volta induriti non possono essere
rimodellati per riscaldamento poiché degradano.
NUOVI MATERIALI
a) Superconduttività:
i) Materiali a resistenza elettrica nulla.
H.Kammerling Onnes[1] nel 1911, a Leiden, (Olanda), osservò che il
mercurio raffreddato alla temperatura dell’Elio liquido (4.22K) ed a
pressione atmosferica 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.
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,…)
NUOVI MATERIALI
Vetri metallici
In teoria tutte le sostanze possono essere ottenute
indifferentemente allo stato cristallino = ordinato o amorfo =
disordinato,
variando
opportunamente
la
velocità
di
raffreddamento. In pratica solo le sostanze che cristallizzano
lentamente formano vetri.
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 lentamente 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.
NUOVI MATERIALI
La velocità di raffreddamento
(105 - 109 °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.
Ni-P
http://www.materialstoday.com/pdfs_7_3/telford.pdf
NUOVI MATERIALI
Vetroceramici
I vetri possono essere cristallizzati riscaldandoli al di sotto del
punto di fusione, se la cristallizzazione è parziale il materiale
ottenuto è chiamato VETROCERAMICO.
Tra i vetroceramici alcuni sono particolarmente interessanti poiché
hanno un bassissimo coefficiente di dilatazione termica.
I primi vetroceramici vennero sviluppati nel periodo 1953-57 dalla
Corning partendo da composizioni di vetri comuni addizionate con
ossido di litio.
Durante la cristallizzazione si formano fasi a bassissimo
coefficiente di dilatazione, inoltre la parziale cristallizzazione fa
aumentare la temperatura di rammollimento del materiale.
Questo vetroceramico è usato per piani di cottura e vasellame da
forno e da fuoco (es.Pyroflam, Pyroceram).
Ceramica Pyrex
• Products can withstand temperatures up to
250 °
NUOVI MATERIALI
Bioceramici
Tra i materiali nuovi vanno ricordati i bioceramici che possono
essere ossidi, come allumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), vetri
bioattivi. Essi vengono usati come ricoprimenti di protesi
metalliche.
La caratteristica comune di questi ceramici è la
biocompatibilità, cioè la capacità di non provocare il rigetto
dell’impianto.
La chirurgia ha fatto ricorso ad impianti protesici per la
sostituzione di parti malate o mancanti da molti secoli. All’inizio
furono usati materiali naturali come avorio, corallo, metalli e
legno, solo in tempi molto recenti la tecnologia delle polveri ha
permesso di mettere a punto questi materiali
Bioceramic applications. A. Cranial repair. B. Eye lens. C. Ear implants. D. Facial
reconstruction. E. Dental implants. F. Jaw augmentation. G. Periodontal pockets. H.
Percutaneous devices. I Spinal surgery. J. Iliac crest repair. K. Space fillers. L Orthopedic
support purposes. M. Orthopedic fillers N. Artificial tendons. O. Joints
Vivoxid
BonAliveTM granules bone graft
substitute
BonAlive™ granules are CE-marked,
bioactive and resorbable bone
substitute which can be used in
orthopaedic and cranio-maxillofacial
bone reconstructions such as filling
the cavity after e.g. removal of
infected bone tissue or removal of
benign tumor. BonAlive™ granules
offer a foundation for new bone to
grow and also stimulate new bone
formation.
NUOVI MATERIALI
Il kevlar,(1965- Dupont) è una fibra sintetica polimerica, che a parità
di peso è 5 volte più resistente dell'acciaio. Il Kevlar resiste al calore e
decompone a circa 500 °C senza fondere. 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.
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NUOVI MATERIALI
NUOVI MATERIALI
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.
NUOVI MATERIALI
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.
NUOVI MATERIALI
BIOPOLIMERI INTELLIGENTI La nuova generazione di polimeri
capaci di indurre nelle cellule tipi di risposta desiderati e sono
così detti biomateriali intelligenti.
Il polimero di base utilizzato per ottenere questi materiali
innovativi è formato da acido lattico e lisina.
Proprietà:
Proprietà meccaniche e chimiche dei polimeri sintetici, come
resistenza, lavorabilità e velocità controllata di degradazione,
capacità di riconoscimento da parte delle cellule e la capacità di
controllo della differenziazione cellulare come le macromolecole
biologiche.
NUOVI MATERIALI
POLIANIDRIDI Trattamento del glioblastoma cerebrale. Il
polimero viene utilizzato per preparare wafers impregnati di
un antitumorale (carmustina), molto tossico, che vengono
impiantati nel sito di localizzazione del tumore.
In questo modo il farmaco resta confinato nel cervello e si
evitano gli effetti tossici a carico del fegato e reni, tipici nel
caso di somministrazione intravena.
Il Mater-Bi
Il Mater-Bi® è una famiglia di bioplastiche sviluppate da Novamont Mater
Bi è biodegradabile e compostabile naturalmente, garantisce resistenza e
tenuta del tutto simili alle plastiche tradizionali ma biodegrada in un periodo
pari ad un ciclo di compostaggio (minimo 90% in massimo 180 giorni)
Mater-Bi® è ottenuto combinando componenti vegetali (amido di mais, di
patate o di grano allo stato naturale, circa 85%) con altri polimeri
biodegradabili (soprattutto il policaprolattone –PCL).
Mater-Bi® si presenta in forma di granulo e può essere lavorato secondo le
più comuni tecnologie di trasformazione, per realizzare prodotti dalle
caratteristiche analoghe o migliori rispetto alle plastiche tradizionali, ma
perfettamente biodegradabili e compostabili, minimizzando l'impatto
ambientale.
http://www.materbi.com/
NUOVI MATERIALI
L’acciaio superplastico
Per secoli l’acciaio di Toledo è stata la sola lega di ferro che nulla
poteva scalfire, aveva una flessibilità elevata, molto dura e
conservava il filo mentre altre lame si smussavano rapidamente.
L’acciaio superplastico è ad alto tenore di carbonio, ne contiene
fino al 2.1% ed è superplastico cioè può venire deformato ad alta
temperatura rimanendo molto duro a temperatura ambiente.
La superplasticità è una peculiarità di alcuni materiali metallici o
ceramici in grado di esibire sotto particolari condizioni di
temperatura, di microstruttura e di velocità di deformazione,
allungamenti a rottura di uno o due ordini di grandezza superiori
rispetto ai materiali convenzionali
NUOVI MATERIALI
I lingotti di acciaio superplastico possono essere compressi a
spessori di un decimo dell’originale a seguito della forgiatura,
mentre è noto che l’acciaio ad alto tenore di carbonio perde duttilità
e diventa fragile.
La condizione per ottenere l’acciaio superplastico è la formazione di
grani ultrafini dell’ordine del micron, deformando l’acciaio durante il
raffreddamento in modo da impedire l’ingrossamento dei cristalli di
cementite.