Elementi di Scienza dei
Materiali e Applicazioni
CNR-IMIP
Paolo Ascarelli
Area prioritaria di ricerca dichiarata d’interesse dalla CEE (VI Programma Quadro)
e dal MIUR
Marzo 2003
Sommario
Analisi delle necessità di formazione scientifica
1. Sostegno alla competitività in una economia della “conoscenza”
a. Italia nella competizione tecnologica
mondiale
b. Scenario attuale
c. L’evoluzione storica
2. Sostegno all’emancipazione
a. Necessità della conoscenza scientifica
Elementi di Scienza dei materiali e Applicazioni
1. Introduzione ed evoluzione, definizioni
2. Le particelle metalliche nanostrutturate
Prologo
• Significato e utilità della formazione di cultura
scientifica in Italia: analisi e definizione dei
bisogni, motivazioni e obiettivi della
formazione
Analisi delle necessità
L’analisi individua due direttrici fondamentali
La necessità di mantenere la
competitività dell’Italia in
una economia e società
basata sulla conoscenza
Fornire agli individui
alcuni elementi della
razionalità scientifica
associati al metodo di
approccio alla realtà
come sostegno alla
loro emancipazione
Mantenere la competitività nell’era della conoscenza
• Età nella quale il fattore dinamico di crescita verso il benessere
•
di una società non è tanto il fare quanto il sapere
Il fluido vitale, il sangue, di questa nuova era è fatto di cultura,
in particolare di cultura scientifica e formazione
Perché
Un Paese ha due leve su cui agire per migliorare la competitività
della propria economia sui mercati internazionali:
 proporre al mercato “commodities”,
ossia prodotti comuni a prezzi
minori dei concorrenti
 proporre al mercato prodotti
esclusivi e appetibili con alto valore
aggiunto  Hi-Tech e
conoscenza scientifica
Singapore
Hong Kong
USA
U.K.
Canada
Taiwan
Olanda
Svizzera
Norvegia
Lussemburgo
Irlanda
Giappone
Nuova Zelanda
Australia
Finlandia
Danimarca
Malesia
Cile
Corea del Sud
Austria
Tailandia
Francia
Svezia
Germania
Spagna
Portogallo
Belgio
Cina
Israele
Islanda
Indonesia
Messico
Filippine
Giordania
Rep. Ceca
Argentina
Perù
Egitto
Vietnam
Italia
Indice competitività 1998
Competitività dell’Italia
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
-0,50
-1,00
Competitività dell’Italia
I parametri su cui si basa la stima della competitività di un Paese
sono essenzialmente:
•
l’economia (costo della vita, consumi finali, valore aggiunto),
•
l’internazionalizzazione (bilancia dei pagamenti, tasso di cambio,
importazione, protezionismo nazionale),
•
il governo (debito nazionale, efficienza dello Stato, politiche fiscali),
•
la finanza (costo del denaro, disponibilità di capitali, dinamismo dei
mercati, efficienza del settore bancario),
•
le infrastrutture (infrastrutture di base, tecnologiche, ambiente,
autosufficienza energetica),
•
la gestione (produttività, costo del lavoro, efficienza gestionale),
•
scienza e tecnologia (spesa e addetti in scienza e ricerca, gestione
della tecnologia, ambiente scientifico),
•
la popolazione (caratteristiche, occupazione, qualità di vita,
attitudini e valori)
Globalizzazione
La globalizzazione delimita due aree geografiche:
•
Un’area con alto sviluppo e alta capacità di innovazione, grandi
risorse finanziarie ed alto costo del lavoro
Tale area impone i suoi nuovi prodotti e la sua cultura
•
Un’area a basso sviluppo e bassa capacità di innovazione
Tale area è definitivamente dipendente dalla prima ed è più adatta
ad una attività manifatturiera
•
L’Italia si trova al limite di questa seconda area
Situazione economica odierna italiana
 Circa il 90% delle imprese italiane ha meno di 10
dipendenti
 Il 49% della popolazione occupata lavora in aziende
con meno di 10 unità lavorative
 Nell’industria, l’occupazione media è di 8.6 unità a
fronte di 15 della media europea
Italia e Hi-Tech
Esportazione Hi-Tech sul totale
della manifattura nel 1997
Quota italiana nelle
esportazioni mondiali Hi-Tech
3,5
100
3
Quota italiana (%)
80
(%)
60
40
20
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Italia
Francia Germania Irlanda
Giappone
U.S.A. Gran Bretagna
0
1992
1995
1998
Ricerca scientifica e PIL
• L’Italia spende circa lo 0.5% del PIL
per la ricerca scientifica pubblica,
quasi come Gran Bretagna e
Germania e meno di Francia, U.S.A.,
Giappone
B
2,5
• I nostri scienziati hanno una
Percentuale del PIL (%)
produttività simile ai colleghi
2
1,5
• Ma le industrie italiane non credono
e non necessitano di una
scientificizzazione della produzione
1
0,5
• Spesa sostenuta dalle industrie in %
rispetto al PIL
0
Italia Gran Bretagna Francia
 L’Italia ha perso il treno dell’Hi-Tech
Germania
Aziende private
U.S.A.
Giappone
Ricerca in Italia
• La spesa pro-capite in ricerca ed il numero di ricercatori ogni 10.000
•
lavoratori sono circa la metà del valore medio dei maggiori Paesi europei
Nel periodo tra il 1990 e il 1997, l’aumento di ricercatori è stato del
Gran Bretagna
Spagna
Giappone
Finlandia
Francia
Italia
0
20
40
60
80
100
120
(%)
• La ricerca di base è fortemente sottodimensionata e praticamente
•
•
inesistente nelle imprese
Oltretutto, il livello di istruzione secondaria superiore risulta essere
Su 100 persone con età
compresa tra 25 e 64 anni
si hanno in Italia solo 8
laureati contro una media
OCSE pari a 13
Italia
Francia
Corea del Sud
Germania
Gran Bretagna
Media Paesi OCSE
0
10
20
30
40
(%)
50
60
70
Motivazioni per acquisire elementi di
razionalità e conoscenze scientifiche
•
La popolazione italiana è agli ultimi posti in Europa quanto a
preparazione scientifica. Tale questione è stata ritenuta, in tempi recenti,
di scarsa importanza dagli uomini di cultura italiani, in maggioranza
lontani dalla scienza
•
Importanza della comprensione e della determinazione dei rapporti fra la
ricerca, l’istruzione, lo sviluppo economico e culturale e quindi del
benessere futuro del Paese
•
Recupero di una dimensione razionale e culturale che in tempi recenti
sembra non essere facilmente ottenibile e “concedibile” dal sistema
•
Riteniamo che gli individui debbano potersi dotare di alcuni strumenti che
permettano loro di essere coscienti di una sempre maggiore pressione ad
una loro omologazione e di conseguenza ad una loro incapacità di
proporsi e progettarsi come individui, in modo da saper e poter
individuare una strategia atta a migliorare le proprie condizioni di vita
Concetto di conoscenza di F. Bacone (1627, La Nuova Atlantide):
•
La scienza come strumento di arricchimento e beneficio della
vita umana, ripudio dell’esclusività della conoscenza, concetto
ripreso dagli illuministi francesi autori dell’Enciclopedia (17501770)
•
La scienza come attività etica, ricerca laboriosa e sobria della
verità, come metodo corretto di indagine in contrapposizione
alle fantasie “grandiose e fumose” proprie della magia e della
superstizione
•
•
Minorità è l’incapacità di servirsi del proprio intelletto senza
la guida di altri
•
•
Concetto di Illuminismo secondo I. Kant (1784):
l’Illuminismo è l’uscita dell’uomo da una condizione di
minorità di cui egli stesso è responsabile
La responsabilità di tale minorità va attribuita all’uomo
stesso quando la sua causa non risiede nell’intelletto, ma
dipende dalla mancanza di determinazione e di coraggio nel
servirsene
“Abbi il coraggio di servirti del tuo stesso intelletto!”
Necessità odierna ed attualità dell’Illuminismo
L’Illuminismo come nostra motivazione riguardo la divulgazione
della scienza e soprattutto del metodo scientifico, proposto
per primo da Galileo
•
•
“…l’Illuminismo non è la caratteristica di un’epoca, ma un
dovere etico da trasmettere da una generazione all’altra,
quindi un compito infinito che si ripropone ogni volta che una
fede, una visione del mondo, un’autorità, una propaganda
tentano di far passare se stesse e i loro contenuti come verità
assolute, a cui bisogna necessariamente aderire rinunciando
ad indagare…”, U. Galimberti
La scienza come doverosità etica per l’emancipazione
del genere umano dallo stato di minorità
La metafora dei lumi
La metafora dei “lumi” ha origini antiche; tra la fine del
secolo XVII e la metà del XVIII acquistò nella coscienza
dei protagonisti una nuova pregnanza simbolica. Il
termine, carico di remote suggestioni religiose, passò
gradualmente a significare l’uso laico della ragione nella
ricerca filosofica e scientifica, fino a diventare la parola
d’ordine di una èlite di intellettuali che si sentì investita di
una missione comune: promuovere il sapere
antimetafisico e fondato sui successi del metodo
sperimentale, bandire i pregiudizi e le superstizioni, far
trionfare lo spirito di tolleranza, illuminare le coscienze,
diffondere in ogni strato sociale l’educazione e la cultura,
riformare le istituzioni, limitare l’influenza delle Chiese
sugli Stati e sull’educazione.
P.Casini, Introduzione all’Illuminismo
Hunc igitur terrorem animi tenebrasque necesset non radii
solis neque lucida tela diei discutiant, sed naturae species
ratioque.
Lucrezio, “De rerum natura”, 146-148
Questi terrori, queste tenebre dello spirito, li devono
dissipare non i raggi del sole, non i dardi luminosi del
giorno, ma lo studio della natura e la sua comprensione.
Guidato passo a passo, Memmio, imparerai senza grande
fatica a penetrare tutte queste verità; la chiarezza ti
risplenderà dall’una all’altra, e senza che la cieca notte ti
impedisca il cammino, ti aprirai un varco fino all’ultimo
segreto della natura, tanto i fatti verseranno luce sui fatti.
“Ibidem”, 1114-1117
LO SCENARIO
La tradizione culturale scientifica e
tecnologica italiana
La scienza e la tecnica sono state nell’evoluzione
dell’Italia moderna per lo più slegate dai problemi e dai
bisogni vitali del Paese.
Perché ?
• Le Origini
•
Le origini della rivoluzione culturale ed industriale
dell’Europa moderna vanno ricercate nella Riforma religiosa
del XVI secolo. E’ opinione comune che i riformatori
protestanti abbiano spianato il cammino alla Scienza ed alla
Filosofia nuova del XVII secolo.
•
Il baricentro di tale sviluppo si spostò dalla Spagna, Italia,
Francia e Germania meridionale all’Inghilterra, Olanda,
Svizza e città baltiche protestanti
•
Tale mutamento dipese dal fatto che la vecchia èlite
economica europea fu costretta ad assumere posizioni
eretiche (calviniste) perché l’atteggiamento mentale che le
era stato proprio per generazioni (e che per generazioni era
stato tollerato) in alcune regioni fu dichiarato eretico ed
intollerabile
•
Nel mondo cattolico il prestito ed il profitto erano
considerati immorali perché si otteneva qualcosa senza
sforzo e pena (senza pagare mediante il lavoro e la fatica il
prezzo del peccato originale).
•
Il Concilio di Trento (1545-1563) prese posizioni che
frenarono lo sviluppo scientifico, conferendo alla Chiesa il
potere inoppugnabile di decidere la verità in materia
astronomica e medica.
•
Le scienze furono classificate in funzione dei conflitti che
creavano alla Chiesa. Le scienze nobili erano le scienze
astratte, le scienze della natura (fisica, geologia, ecc.)
erano considerate inferiori.
•
Nel mondo protestante andò diversamente. Sull’etica
calvinista si modellò lo spirito della nascente borghesia
capitalista.
•
La buona riuscita negli affari era considerata una prova
evidente del favore di Dio e, secondo il Vecchio
Testamento, un segno della sua predilezione. Calvino
dichiarò (bando sull’usura) moralmente lecito percepire un
interesse sul mutuo.
•
La volontà di comprendere la natura per comprendere Dio
diede alle Scienze della natura la priorità.
•
Inoltre, il desiderio di aiutare lo sviluppo della società
stimolò l’interesse per la tecnologia e per le finanze.
Verso l’unità d’Italia – i governi sorti dalla Restaurazione
Avversità dei governi alla Scienza
– Tendenza all’identificazione dell’illuminismo con la
rivoluzione
Penalizzazione delle discipline scientifiche negli atenei
– La Matematica è vista come Scienza Sublime, non
compromessa dal razionalismo illuminista
– Relativa inferiorità della chimica e della fisica
Conseguente scarsità di risorse per ricerca e formazione in
tali ambiti
Pesantissime ripercussioni sullo sviluppo dell’industria
moderna, impossibilità di determinare scelte di fondo nella
politica nazionale per la ricerca
La prima metà del 1800
Assenza della Ricerca Organizzata in Italia
– Mancata istituzione di cattedre universitarie, laboratori e
gruppi di ricerca
La chimica è ritenuta «perniciosa e pericolosa»
– Ricerca condotta dai singoli ricercatori con fondi privati
– Ideologia dominante della scienza come pura
contemplazione del vero e disinteresse per i problemi
produttivi
Conseguente produzione in Italia di notevoli lavori teorici
(da Avogadro fino a Cannizzaro) con assenza di attività
sperimentali
Contemporaneamente, all’estero (es. Germania) si
instaura invece uno stretto rapporto di cooperazione tra
università e industria
La seconda metà del 1800
Studio della Matematica
– I matematici manifestano crescente disinteresse per
problemi pratici, applicativi e politici.
Studiano una matematica astratta piuttosto che
individuare nessi con la realtà
– Emblematico è Peano: è convinto della completa inutilità
pratica dell’attività del matematico
– Peano giunge ad abbandonare la cattedra al Politecnico di
Torino pur di non inquinare la sua formazione teorica con
gli elementi indispensabili alla figura di un ingegnere
La seconda metà del 1800
Studio dei fenomeni di Elettricità e Magnetismo
– Pacinotti concepisce l’anello d’induzione (1859)
– Si pongono le basi per la costruzione delle macchine
elettrodinamiche
– Attegiamento pratico e tecnico di Pacinotti, inusuale nel
panorama italiano del tempo
– Mancata traduzione delle scoperte di Pacinotti in iniziativa
industriale italiana, imputabile a:
 Disinteresse dell’ambiente scientifico italiano per le
applicazioni pratiche e produttive
 Arretratezza economica dell’ambiente italiano
In Francia la Société Gramme si impadronisce dell’idea
di Pacinotti sfruttandola a fini commerciali
La seconda metà del 1800
Studio dei fenomeni di Elettricità e Magnetismo
– Ferraris getta le basi teoriche del motore a campo rotante
(tecnologicamente e industrialmente rivoluzionario)
– Al contrario di Pacinotti, Ferraris non pare comprendere
appieno la reale portata della sua scoperta:
– Ferraris ritiene che
«lo sfruttamento industriale delle scoperte scientifiche
non è un compito degno dell’uomo di scienza»
L’ambiente industriale italiano è impreparato alla
produzione di motori:
la scoperta di Ferraris ottiene pratica applicazione
all’estero
La seconda metà del 1800
Studio dei fenomeni di Elettricità e Magnetismo
– Righi, insigne teorico, preferisce gli studi di fisica pura ai
problemi tecnici. Studia la radiotrasmissione senza
comprenderne la reale portata pratica
– È il maestro di Marconi, pur intrattenendo con lui scarsi
contatti in quanto scettico sull’attività pratica di Marconi
– Marconi è un autodidatta, isolato e osteggiato. Scopre la
possibilità di trasmettere segnali su portante EM
– Comunica i risultati delle sue esperienze (1896) al
ministero delle PT che manifesta grande disinteresse
Partito per l’Inghilterra, Marconi trova all’estero
successi e riconoscimenti
La seconda metà del 1800
Cause della situazione tecnologica italiana
La mancanza di un insegnamento tecnico nella seconda
metà del 1800 può essere imputata a:
 Mancanza di precise sollecitazioni industriali per la
formazione della figura del perito, convinzione dell’inutilità
della formazione di maestranze (es. industria tessile) in
assenza di industrie (nell’Italia prevalentemente agricola
del tempo)
 Mancanza di una capacità di pianificazione dello sviluppo
economico e produttivo nazionale sul lungo periodo
 Convinzione che l’unico ruolo economico della scienza sia
il risparmio delle risorse e delle finanze pubbliche
Il ministro Baccelli si riferisce alla situazione della
ricerca dichiarando: «Vexatio dat intellectum»
La seconda metà del 1800
La non competitività industriale italiana
– In Europa, i settori chimico e elettrotecnico (assi della II
rivoluzione industriale) impongono un intreccio tra
sviluppo industriale e conoscenze scientifiche
Stimolo della compenetrazione tra Università e Industria
Richiesta di una preparazione notevolmente elevata al
personale impiegato
– Alla fine del 1800 in Europa la produzione industriale non
può più prescindere dal massiccio contributo della ricerca
Nulla di tutto questo avviene in Italia
– I pochi prodotti tecnologici italiani vivono di imitazione e
non sono competitivi o d’avanguardia in campo tecnico
– Significativo l’esempio delle macchine tessili e locomotrici:
Le scelte aziendali e governative nazionali sono volte ad
acquistare dall’estero prodotti competitivi
La seconda metà del 1800
Il divario tra l’Italia e l’Europa
– In Germania l’università si era adeguata ai bisogni
industriali grazie alla forte spinta degli industriali
– In Italia l’università era rimasta chiusa perché un simile
movimento non era mai esistito: imprenditori, governo e
matematici non compresero il valore della scienza
– Dalle discussioni parlamentari del 1894 (Rizzetti):
«in Italia si dovrebbe lavorare molto di più e studiare
anche un poco di meno» [si ride]
«noi dobbiamo prima diventare prosperi e potenti e poi
diventeremo una nazione colta e scienziata… finchè
saremo una nazione povera di danaro e di risorse
economiche, come potranno fiorire le arti, le scienze, le
lettere?»
L’età Giolittiana (1892-1914)
Lo Sviluppo Industriale e la crisi della Ricerca
Lo sviluppo del pensiero scientifico e l’andamento della
struttura produttiva di qualsiasi paese in generale non
procedono di pari passo
Ciò è particolarmente vero nel caso italiano:
– Pur cominciando il periodo di decollo dell’economia
italiana, è diffusa la sensazione di difficoltà a dare nuovi
contributi alle scoperte scientifiche
– La ricerca diventa per necessità più costosa e bisognosa
di mezzi (es. studio della radioattività)
– Le politiche di governo e universitarie non forniscono tali
risorse, proprio nel momento in cui in altri paesi il
pensiero scientifico è in una fase decisiva
I primi del 1900
Lo Sviluppo Industriale Italiano
Il decollo dell’economia in Italia incomincia quindi in
maniera slegata dalla ricerca:
Tendenza al rialzo dei prezzi
Manodopera a basso costo
Scarso stimolo al
progresso tecnico
industriale
Politica protezionistica
Alcuni industriali ritengono più conveniente investire in
borsa che assumere un maggior numero di tecnici e
ricercatori
La prima metà del 1900
Lo Scenario tra le due Guerre
– All’inizio del secolo la scienza italiana non ha ancora
conquistato un posto di primo piano nella cultura, nella
società e nell’economia
Lo stesso Mussolini è consapevole dell’arretratezza
italiana
– Spostamento del centro d’interesse scientifico dalla
scienza pura alle applicazioni pratiche (anni 20)
– Il regime mira all’autarchia perseguita mediante uno
stretto legame tra politica e ricerca scientifica
Reazioni di esponenti scientifici: rivendicazione
dell’unitarietà inscindibile della scienza pura ed applicata e
difesa della libertà di ricerca matematica (Bottazzi, Severi)
La prima metà del 1900
Il Consiglio Nazionale delle Ricerche
dotazione annua (M£)
– L’Italia è dotata finalmente di un istituto centralizzato e
indipendente che persegue una linea di ricerca sulle
scienze applicate
– Interventi per la ricerca: il riordinamento del CNR si
colloca in una realtà storica profondamente arretrata
100
92
90
80
70
60
50
–Impossibilità di esprimere il
reale potenziale di lavoro
40
30
20
10
0
L’effettiva maturazione del CNR
avviene in concomitanza con
l’avviamento della guerra
0,175
ITALIA
INGHILTERRA
–Nomina di Badoglio come
presidente, emblematico
dell’imbalsamazione dell’ente
La prima metà del 1900
Il Consiglio Nazionale delle Ricerche
– Nei primi anni del 1900 il periodo della scienza condotta
col solo genio e con risorse risibili è terminato
– Vedono la luce nuovi campi di ricerca (sistematicamente
assenti in Italia per lunghi anni):
• Elevate tensioni
• Alte pressioni
• Intensi campi magnetici
• Basse temperature
Il CNR avrebbe dovuto costituire l’anello di collegamento
tra la scienza e le necessità del Paese. In effetti consente:
– Collaborazione e sinergia tra più ricercatori
– Organizzazione e interscambio di laboratori e risorse
Il dopoguerra
La Ricostruzione
Dopo l’8 settembre
si ha un
arresto della ricerca
Crollo delle istituzioni statali
Guerra
Caos organizzativo
Assenza di finanziamenti
– La costituzione riafferma la concezione liberale di cultura
– La concezione cattolica esalta i valori umanistici e letterari
– La libertà di ricerca è intesa come astratta e dogmatica
Non muta la concezione minoritaria della scienza
rispetto ad altre componenti culturali.
Si perde l’immagine di «scienza utile»
Il dopoguerra
La Ricostruzione
– Ritorno a una visione «ottocentesca» della scienza,
funzionale all’elevamento spirituale del popolo
– Opposizione a eventuali aumenti di spesa per la ricerca,
ritenuti responsabili dell’aumento di inflazione
– Alla riunione plenaria del CNR (1947) Einaudi respinge
seccamente le richieste di fondi che vengono avanzate
Gonella afferma che «Il contributo che un governo può
dare al progresso scientifico è il mantenimento della
pace sociale e della stabilità economica»
Il progressista Marchesi, pur conscio dell’enorme
importanza pratica della scienza e della tecnica,
considera gli studi umanistici culturalmente superiori
Il dopoguerra
Le prospettive economiche dell’Italia
– Passaggio dell’industria da una politica autarchica
protezionistica a un mercato liberistico
– Ritardo industriale rispetto ai paesi che hanno raggiunto
elevata produttività durante la guerra
Importazione dei risultati della scienza estera (Stati Uniti)
Inizio della dipendenza economica dall’estero
– Necessità insoddisfatta di una ricerca industriale
autonoma e allentamento dei legami Università-Industria
– Nascita della simbiosi Università-CNR (fonte di
finanziamento per i professori), scarsamente produttiva
Impossibilità di programmare un piano d’intervento
efficace sui problemi di fondo del paese
Suddivisione dei finanziamenti in base ai rapporti di potere
Il dopoguerra
La situazione del CNR nel dopoguerra
– Il CNR, nato per stimolare la ricerca applicata, si ritrova a
finanziare esclusivamente la ricerca di base a causa dei
suoi rapporti con l’Università
– La Commissione Europea individua la responsabilità del
disimpegno scientifico negli industriali, incapaci di inserire
la ricerca nei processi produttivi
– Il modello di sviluppo economico liberistico su cui si basa
la ricostruzione italiana si rivela fallimentare
 Si evidenzia che il CNR non può elaborare un piano di
programmazione economica nazionale:
I settori produttivi su cui far leva devono essere indicati in
sede politica
Il dopoguerra
La mancanza di un piano di lavoro per il CNR
– Nel 1946 Colonnetti indica per il CNR lo studio dei
seguenti problemi, quantomeno discutibili:
• Individuazione zone sismiche meridionali
• Valorizzazione agricola e mineraria della Sila
• Sfruttamento delle saline siciliane
• Talassografia
Per il problema sismico furono stanziate £ 100 000
L’istituto di Fisica sperimentale del Politecnico di Torino
ebbe £ 600 000 per «Ricerche sull’abbagliamento dei
riflettori di automobili a luce bianca e gialla»
La seconda metà del 1900
L’analisi della situazione economica
– Morandi osserva che è mancato allo sviluppo industriale
italiano il sostegno della ricerca
– Andreatta riconosce che il «miracolo italiano» è
giustificato dal fatto che in 10 anni l’industria italiana ha
ricapitolato diverse fasi che si sono succedute nei paesi
d’avanguardia per tre decenni
– Si individua nel basso costo del lavoro un fattore
condizionante il basso ritmo di sviluppo delle innovazioni
tecniche
La seconda metà del 1900
Gli anni del Miracolo Economico
– 1955: si verifica un aumento di fondi generalizzato a
seguito dello sviluppo delle ricerche nucleari in Italia
– Il piano Fanfani comporta l’organizzazione della ricerca
universitaria per formare quadri altamente qualificati
Si evidenzia l’utilità dell’università per la formazione di
forza lavoro, ma non della ricerca come motore economico
produttivo
– La commissione Saraceno riconosce alla ricerca un valore
produttivo oltre che didattico
Formazione di un Ministero della Ricerca di facciata, utile
solo politicamente, senza fondi né poteri e inviso
all’ambiente universitario
Emerge l’incapacità di programmare precisi obiettivi di
sviluppo su cui impegnare i ricercatori
La seconda metà del 1900
La crisi delle iniziative energetiche italiane
– Enrico Mattei, presidente dell’ENI, è il fautore di una
politica energetica italiana basata su relazioni dirette e di
cooperazione coi paesi Africani e Orientali produttori di
petrolio. Viene assassinato nel 1962.
Rallentamento nella spinta verso una politica energetica
nazionale
– Felice Ippolito, segretario del CNEN, responsabile dello
sforzo nucleare italiano (l’Italia è al terzo posto nel mondo
insieme a USA e GB per competenza e tecnologia sul
nucleare) viene arrestato pretestuosamente
CNEN e ENEL abbandonano le iniziative in campo
nucleare. Si punta sul metano (importato) come risorsa
energetica
La seconda metà del 1900
Il rapporto Freeman-Young e la nascita dell’IMI
– 1965: il rapporto Freeman-Young sullo sviluppo
dell’Europa Occidentale evidenzia la miserevole condizione
della ricerca italiana in confronto a quella statunitense
– Il rapporto suscita preoccupazione e orgoglio nazionalista
– Fanfani propone un «Piano Marshall» per la scienza,
ovviamente respinto dagli Stati Uniti
– Istituzione dei fondi IMI per la ricerca applicata:
è la prima volta che capitali statali sono messi a
disposizione dei privati
– La pratica clientelare, la gestione «bancaria» dei dirigenti
IMI, l’assenza di una strategia della ricerca per l’impiego
dei fondi provocano la dispersione delle risorse IMI
La seconda metà del 1900
Conseguenze del rapporto Freeman-Young
– Sarebbe stato indispensabile che dal rapporto scaturisse
un piano di intervento economico, che invece venne a
mancare
– Caglioti, membro dell’Accademia Nazionale delle Scienze,
dimostra che non si è ancora in grado di concepire tali
programmi:
«L’Italia non può permettersi di fare delle ricerche il cui
prodotto non potrebbe andare sul mercato che in
dilazioni molto lunghe, ma deve orientare le sue
ricerche verso prodotti che si possono commercializzare
rapidamente […] Quando il potenziale economico avrà
raggiunto un certo livello sarà possibile sviluppare i più
nuovi settori»
Gli anni ‘70
Crisi del modello americano in Europa
– Crollo della fiduciosa visione della benefica ricaduta da
produzioni di alta tecnologia sul restante campo di
produzione
Riduzione della partecipazione italiana ai programmi
spaziali comunitari
Ripiegamento ulteriore dell’industria sull’avviamento di
ricerche con sviluppi applicativi a breve termine
Situazione attuale
Situazione attuale e conclusioni
– La ricerca italiana è sempre stata slegata dai problemi
vitali del paese e troppo subordinata alla legge del profitto
immediato
– Oggi il livello scientifico viene valutato per la capacità di
risolvere problemi reali, anziché per il numero di
pubblicazioni prodotte
In questo senso la situazione italiana è cattiva
– La storia della ricerca italiana ha assistito a pochi successi
teorico/pratici di notevole importanza. È mancato il lavoro
metodico di traduzione delle conoscenze teoriche
in processi produttivi
Il complesso procedimento che porta dalla teoria alla
produzione richiede un’organizzazione della ricerca e
dell’economia che l’Italia di oggi è lontana dall’avere
Scienza dei materiali
“… Allora il bronzo fu più apprezzato e l’oro venne
negletto come un metallo inutile la cui punta smussata
si ripiegava facilmente. Oggi è il bronzo che giace
disdegnato, e l’oro gli ha rubato l’onore supremo. Così,
la rivoluzione dei tempi cambia la sorte di tutte le cose:
quel che si giudicava prezioso finisce col perdere ogni
onore, un altro oggetto prende il suo posto uscendo
dall’ombra e dal disprezzo …”
(Lucrezio, De Rerum Natura)
Scienza dei materiali
• Storicamente, lo sviluppo e l’avanzamento della società sono stati collegati
alla capacità dei suoi membri di produrre e di manipolare i materiali per
rispondere ai loro bisogni
Storia dei materiali
• Età paleolitica o della pietra grezza (fino a 10000 a.C.)
•
•
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Vita dell’uomo basata sulla caccia e pesca. Gli utensili sono pietre ed ossi
scheggiati
Età paleolitica o della pietra levigata (10000-5000 a.C.)
Introduzione dell’agricoltura e dell’allevamento. La lavorazione delle pietre
permette la realizzazione di strumenti rudimentali
Età neolitica (5000-4000 a.C.)
Utilizzo dei metalli (oro, argento, rame, stagno)
Età del bronzo (4000-1100 a.C.)
Grande progresso tecnologico: scoperta della versatilità della lega di rame
e stagno, che coincide con la fine della preistoria e l’inizio della storia
Età del ferro (1100 a.C)
Conoscenza di questo metallo, caratterizzato da una elevata resistenza,
utile alla realizzazione di altri strumenti
Evoluzione dei materiali
Fibre di
carbonio
8
Evoluzione nella
resistenza dei
materiali
Materiali
compositi
6
4
2
0
Legno
Fusione
Acciaio
Bronzo
Pietra
del Ferro
1800
Anno
Alluminio
1900
Progresso nella
temperatura di lavoro
dei motori resa
possibile attraverso
l’utilizzo dei materiali
moderni
2000
Temperatura operativa dei motori (°C)
Forza/Densità (in ×106)
10
1400
Motore moderno
Turbojet
1200
1000
800
600
400
200
Motore
a vapore
0
1900
1920
Motore aereonautico
raffreddato ad aria
1940
Anno
1960
1980
Evoluzione dei materiali
4
Diamante policristallino,
Nitruro di Boro cubico
Evoluzione nella
velocità di taglio degli
utensili
1000
Ceramici
Carburo di
tungsteno
100
Utensili in acciaio
10
1750
1800
1850
0,1
1900
Evoluzione nella
trasparenza dei
materiali al fine di
trasportare
informazioni
1950
2000
Attenuazione ottica (dB/km)
Velocità di taglio (m/min)
10
1
10
Fibre ottiche
100
1000
Ottiche in vetro
4
10
Fenici
5
10
6
10
Egizi
7
10
3000 a.C.
1900 1966 1979 1983
Storia moderna dei materiali
• Fu scoperto che le proprietà di un materiale possono
essere alterate da trattamenti chimici e dall’addizione
di altre sostanze: ma a questo punto, l’uso dei materiali
fu totalmente limitato ad un processo di selezione
associato ad un ristretto set e finalizzato al tipo di
applicazione adatta alle caratteristiche di un
determinato materiale
• Risale solo a circa 60 anni fa la profonda conoscenza e
la correlazione tra le proprietà di un materiale e le sue
caratteristiche strutturali e quindi le basi per una
scienza della materia e dei materiali
Definizioni
• La disciplina della scienza dei materiali consiste nello
studio delle correlazioni che intercorrono tra le
strutture e le proprietà dei materiali
• Per Material Engineering si intende la capacità di
progettazione di un materiale, sulla base della
conoscenza delle sue caratteristiche, al fine di produrre
un set predeterminato di proprietà
• La struttura di un materiale è associata alla mutua
disposizione dei suoi componenti interni
• Proprietà dei materiali: meccaniche, elettriche,
termiche, magnetiche, ottiche, resistenza al
deterioramento
Funzionalità dei materiali
• Materiali strutturali (durezza, resistenza, robustezza, rigidità, peso,
deformazione e rottura sotto sforzo)
• Materiale elettrici ed elettronici (conducibilità elettrica, risposta a campi
elettrici, polarizzazione)
ceramici, polimeri
semiconduttori, metalli, isolanti,
• Materiali polimerici (plastiche, ecc.)
• Materiali magnetici (risposta allo stimolo di campi magnetici)
• Materiali ottici (risposta alla radiazione luminosa, riflettività,
trasparenza, indice di rifrazione)
fibre ottiche, cristalli liquidi
• Biomateriali (materiali biocompatibili, utili per applicazioni biomediche)
• Materiali avanzati (materiali compositi, rivestimenti protettivi)
• Materiali moderni in condizioni estreme (materiali nanostrutturati e
amorfi)
Verso l’infinitesimamente piccolo
Capelli
Formica
3mm
1mm
Microprocessore
Macro
50m 20m
Micro-ingranaggio
Micro
Globuli rossi
2.5m
Luce visibile
Virus dell’influenza
740nm 400nm 80nm 16nm
Transistor sperimentale
Nano
Atomi
2nm 0.1nm
Nanotubo
Non tutto ciò che è oro splende: nano-sistemi metallici
Le motivazioni alla base dello studio di sistemi formati da composti nanoaggregati
metallici (1 nm = 10-9 m) nascono
a)
dal conoscere il comportamento della materia progressivamente più suddivisa
fino alla selezione dei componenti base della struttura
b)
dall’interesse dell’applicabilità in ambito industriale (ad esempio nella chimica
l’utilità di massimizzare il rapporto superficie-volume)
In seguito si vedrà come l’effetto delle dimensioni abbia influenza su tre proprietà:
a)
la fusione
b)
le proprietà ottiche
c)
la reattività chimica
Nanoaggregato
Fusione
Diagramma di stato, tipico
di ogni sostanza
Pressione
Stato
disordinato
Fusione
Stato
C, punto
ordinato
Volume sfera = /6 D3
Liquido
Superficie sfera = D2
Superficie di un cubo di ugual volume
Solido
=3.89D2
critico
Gas
T, punto triplo
Solido
Liquido
Temperatura
Gas
E=EP+EC ,
EP=1/2VP(dnm)
EC=1/2kT
•
•
EP>EC Stato ordinato
EP>EC Stato disordinato
Temperatura di Fusione
Fusione
•
Perdita dell’ordine atomico a lungo raggio
•
Acquisizione della forma sferica
Temperatura, TFa (°C)
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
0
•
•
•
50
100
150
°
2as (A)
L calore latente di fusione
S, l densità del solido e del liquido
TF, TFa temperature di fusione del solido e delle particelle
•
•
aS, al raggio della particella nel solido e nel liquido
S, l tensione superficiale del solido e del liquido
200
250
300
Proprietà ottiche
E
Il colore dell’oro dipende dalla grandezza delle
particelle metalliche
•
La luce è una radiazione elettromagnetica il cui
campo elettrico oscillante è in grado di sollecitare
cariche elettriche presenti sul suo percorso
•
Le cariche elettriche stimolate dalla radiazione
oscillano ed assorbono la sua energia
•
Una particella metallica è dotata di cariche negative
(elettroni), che si possono muovere liberamente, e
da cariche positive fisse (ioni)
•
Sotto la sollecitazione della radiazione, gli elettroni
oscillano rispetto agli ioni, producendo un
assorbimento tipico delle particelle metalliche,
fenomeno che non si verifica nel metallo esteso
°
1A
<1 nm
3 – 30 nm
50 - 100 nm
Oro
Proprietà ottiche
Densità ottica
Oro colloidale
E’ evidente che la
posizione in
lunghezza d’onda e
la larghezza del
picco dipendono
dalle dimensioni
della particella…
Distanza tra le particelle
°
Lunghezza d’onda (A)
…e anche dalla
distanza
reciproca
Reattività chimica
•
L’energia WP necessaria per ionizzare una particella, ossia per portare un
elettrone fuori dalla particella, è legata al raggio R della medesima particella
dalla relazione
e-
WP
Wm
RAtomo
R
Questo andamento è dovuto a due effetti:
1.
Effetto di interazione coulombiana dovuta al caricamento
2.
Effetto della carica immagine
Reattività chimica
•
Si ricorda che l’elettronegatività di un sistema A (la capacità di cedere e
acquisire elettroni) è la somma dell’energia di ionizzazione e dell’affinità
elettronica (guadagnata nel portare un elettrone all’interno del sistema A)
•
Un’indicazione della possibile reattività tra due sistemi A e B è data dal
confronto tra le loro elettronegatività
•
Queste quantità variano in funzione delle dimensioni dei sistemi: le reazioni
chimiche sono, perciò, influenzate dalle dimensioni delle particelle