Nanotecnologie e Materiali a memoria di forma_sito

Classe 5^ - Tecnologie mecc. di proc e prod. - UdA n° 1: Nanotecnologie e materiali a memoria di forma
Nanotecnologie e Materiali a memoria di forma
Le “nanotecnologie” sono l’insieme dei metodi e delle tecniche per la manipolazione della
materia su scala atomica e molecolare. Esse hanno l’obiettivo di costruire materiali e prodotti con
speciali caratteristiche chimico-fisiche.
I materiali “a memoria di forma” sono materiali in grado di recuperare la loro forma originaria,
che era stata modificata a causa dell’applicazione di una forza esterna o di una variazione di
temperatura, quando ritornano alla temperatura iniziale.
1) Nanotecnologie
Le nanotecnologie si
occupano
della
manipolazione della materia
su scala atomica (0,1 ÷ 100
nm). Il “nanometro” [nm]
corrisponde
ad
un
miliardesimo di metro (1 nm
= 10-9 m) ed è confrontabile
con la larghezza del DNA e
di altri elementi come
illustrato nella figura a lato.
Le nanotecnologie e i
nanomateriali sono entrati
già
da
tempo
nelle
applicazioni di uso comune
e negli oggetti che usiamo
tutti
i
giorni.
Molte
innovazioni raggiunte nel settore dell’automotive, dell’elettronica, della medicina e nei materiali da
costruzione non sarebbero state possibili senza l’impiego delle nanotecnologie.
In soli sessanta anni, i vecchi ed ingombranti computer si sono trasformati negli attuali notebook
ed pesanti cellulari negli attuali smartphone.
-
Un po’ di storia
1959
In un celebre discorso alla Caltech University, Richard Feynman (Nobel ‘65, Fisica) intitolato
“There’s Plenty of Room at the Bottom” considerò la possibilità di una diretta manipolazione di
singoli atomi come una forma più rilevante di chimica sintetica rispetto a quelle in uso ai suoi
tempi. Quel giorno egli di fatto diede inizio alla ricerca mondiale nel campo della nanoscienza.
1976
Eric Drexler, in “Motori di creazione” definì la nanotecnologia come: “[...] una tecnologia a
livello molecolare che ci potrà permettere di porre ogni atomo dove vogliamo che esso stia.
Chiamiamo questa capacità "nanotecnologia", perché funziona sulla scala del nanometro che
corrisponde a 1 miliardesimo di metro”.
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1984
R. Smalley (Premio Nobel per la Chimica nel 1996) scopre il fullerene, ossia l’unica forma finita
del carbonio. Il fullerene C60, è costituito da 12 pentagoni e 20 esagoni, con ciascun pentagono
circondato da cinque esagoni tutti di dimensione nanometrica. Può essere un superconduttore,
trasportare atomi radioattivi in radioterapia, o funzionare come lubrificante grazie ai suoi particolari
legami chimici.
2000
Bill Clinton, in occasione del lancio della NNI, dichiara che “i campi emergenti delle
nanoscienze ci condurranno ad una comprensione senza precedenti delle componenti di base di
ogni oggetto fisico, cambiando del tutto il nostro modo di progettare e costruire e di darci in futuro
la capacità di conseguire l’immortalità individuale”.
-
Il “nano”: che cos’è?
Il nanometro (simbolo nm) è un'unità di misura di lunghezza, corrispondente a 10-9 metri (cioè
un miliardesimo di metro).
In pratica il rapporto fra 1 nanometro ed 1 metro corrisponde, grossomodo, al rapporto di
grandezza che esiste tra il diametro di una pallina da tennis ed il diametro del pianeta terra.
x 10-9 =
Un nanometro è 80 000 volte inferiore al diametro di un
capello.
I nano-oggetti evidenziano proprietà assolutamente nuove
grazie alle caratteristiche dovute principalmente alle proprietà
superficiali e in particolare al rapporto tra superficie e volume
nonché all’entrata in gioco di proprietà quantiche (Hochella and
Madden 2005).
Oro in forma massiva
Colore giallo
Oro sintetizzato in aggregati di nanoparticelle
Colore variabile a seconda della
dimensione e forma delle nanoparticelle.
Ciò è dovuto al rapporto tra l’area della superficie delle
nanoparticelle ed il loro volume.
Chimica e fisica di tali strutture sono dominate dalle proprietà
delle superfici e risultano spesso differenti da quelle di solidi
costituiti dallo stesso tipo di atomi.
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Attraverso l’uso delle nanotecnologie è possibile creare nuovi materiali funzionali, strumenti e
sistemi con straordinarie proprietà derivanti dalla loro struttura ed implementare qualità e
caratteristiche di processi e prodotti esistenti.
Nel “nanomondo” le leggi della fisica e della chimica sono assai diverse e per certi versi
“strane” rispetto a quelle classiche. Gli elettroni, per esempio, possono superare le barriere
energetiche attraversandole (come se una pallina da tennis potesse passare attraverso un muro); le
proprietà dei materiali variano (il rame, per esempio, dal buon conduttore che conosciamo, diventa
invece resistente al passaggio della corrente quando è in presenza di un campo magnetico).
Le nanoparticelle sono molto più reattive rispetto alle “macroparticelle”, cioè la percentuale di
atomi presenti sulla superficie di un pezzo è maggiormente “capace” di reagire con l’ambiente
esterno. E’ per questo, per esempio, che, in ambito autoveicolistico, è possibile effettuare una
verniciatura “elettrostatica” dei nano-compositi polimerici che sostituiscono l’acciaio, aumentando
nel contempo anche la durata della verniciatura.
-
Metodi costruttivi
I materiali nanostrutturati possono essere creati
attraverso due approcci fondamentali: “bottom up” e “top
down”.
Il primo si riferisce alla capacità di assemblare il
materiale nanostrutturato a partire dalle nanoparticelle che
lo costituiranno. Il processo di costruzione è eseguito su
scala nanometrica tramite “microscopio a scansione per
effetto tunnel (STM)”, oppure per mezzo di un
“microscopio a forza atomica (AFM)”. L’assemblamento
da’ origine a sistemi spaziali ordinati (nanocristalli). In
biologia, biomedicina e chimica si usa per lo più questo tipo
di approccio.
Il secondo consiste invece nella costruzione di micro e
nanostrutture a partire dal blocco massiccio di materiale (bulk) con tecniche di tipo litografico,
oppure, riducendo con metodi fisici, le dimensioni delle strutture iniziali portandole a livello
nanometrico. Così come uno scultore modella un blocco di marmo con il cesello, in nanotecnologia
viene modellato il silicio utilizzando un fascio luminoso, un fascio elettronico oppure tecniche di
attacco chimico. Questo metodo è quello più comunemente utilizzato per la creazione di materiali
nanostrutturati e trova i principali impieghi in applicazioni elettroniche e metallurgiche.
Essendo delle scienze multidisciplinari, le nanotecnologie possono essere applicate
trasversalmente ai più svariati settori industriali. Alcuni esempi di applicazioni di materiali
nanostrutturati, quali tessuti antimacchia, superfici antigraffio o autopulenti, cosmetici contenenti
nanopolveri, aerogel nanostrutturati per l’isolamento termico sono già in commercio e si prevede
che il mercato di prodotti funzionalizzati attraverso l’uso delle nanotecnologie possa crescere
rapidamente nel prossimo decennio.
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Attualmente, lo scenario delle nanotecnologie è molto ampio, ma si possono brevemente
elencare alcuni dei filoni d’interesse:
-
Materiali innovativi la cui struttura è almeno in una dimensione su scala nanometrica;
Sistemi biologici, biomedici e strutture molecolari autoassemblanti;
Tecnologie dei dispositivi elettronici e dei circuiti integrati con dimensioni minime dei
singoli dispositivi inferiori ai 100 nm;
Tecniche di fabbricazione e lavorazione su scala inferiore ai 100 nm;
Caratterizzazione e manipolazione della materia. A titolo di esempio si citano solo alcuni
delle più comuni apparecchiature impiegate per la caratterizzazione: AFM (Atomic Force
Microscope, STM (Scanning Tunneling Microscope), XRD (X Ray Diffraction).
Di seguito sono descritte alcune applicazioni delle nanotecnologie (da Veneto nanotech).
Applicazione 1 - Incollaggio di gomma
Applicazione 2 - Incollaggio di materiali plastici
Il poliuretano diventa un sistema integrato di
materiali diversi in multistrato, grazie all’uso del
plasma atmosferico che promuove l’adesione tra i
diversi layers.
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Applicazione 3 - Super idrofilico per il settore tessile
Applicazione 4 - Layers autodistaccanti per polimeri
Applicazione 5 - Ricoprimenti PVD-PECVD
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Applicazione 6 – Il Cold Spray per la meccanica
Applicazione 7 - Cold Spray per l’aereonautica
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App 8 - Lubrificanti solidi per riduzione del coefficiente di attrito
Applicazione 9 - SMART polymers
Applicazione 10 – Polimeri luminescenti
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2) Materiali a memoria di forma
Le Leghe a memoria di forma o metalli intelligenti (LMF, Shape Memory Alloys, o SMA,
memoria metallica) sono espressioni usate per indicare una serie di composti metallici che,
deformati meccanicamente, presentano la curiosa proprietà di tornare alla forma originale quando
vengono scaldati al di sopra di una certa temperatura.
Tra tali materiali, il Nitinolo è uno di quelli più utilizzati.
Il Nitinolo (NiTi) è un composto intermetallico: due elementi, Nichel e Titanio, sono mescolati
nel rapporto stechiometrico di circa 1:1. Dal punto di vista cristallino, gli atomi di Ni e Ti si
dispongono sullo stesso reticolo, alternandosi.
Il termine "Shape Memory Alloys" (SMA) indica la famiglia di materiali metallici che
possiedono la capacità di ripristinare la loro configurazione iniziale se deformati e poi sottoposti ad
appropriato trattamento termico. Quando la lega viene deformata, applicando un’appropriata forza,
sopra la sua temperatura di trasformazione, si genera una “Martensite indotta da sforzo” (SIM).
-
Un po’ di storia
1932
E’ l’anno in cui avviene la prima registrazione (scoperta) del fenomeno, quando Chang e Read,
analizzando una lega di oro e cadmio, notarono che il materiale, facilmente deformabile fino a una
certa temperatura, subiva oltre quella una modifica della struttura cristallina, con conseguente
riacquisizione della forma originaria.
1938
La trasformazione fu studiata nell'ottone (CuZn).
1962
William Buehler osservò la stessa caratteristica nella lega nichel-titanio (poi ribattezzata
Nitinol).
Successivamente, la ricerca scientifica sulle LMF fu ampliata, estendendosi allo studio del rame
e successivamente delle leghe di quest'ultimo materiale con alluminio e nichel e con alluminio e
zinco, alle quali si è aggiunta la lega ferro-manganese-silicio.
-
Trasformazione martensitica termoelastica
In questi materiali è presente una trasformazione di fase in stato solido che prende il nome di
"trasformazione martensitica termoelastica".
Le SMA subiscono una trasformazione di fase cristallina quando vengono portate dalla loro
configurazione più rigida ad alta temperatura (Austenite) alla configurazione a più bassa energia e
temperatura (Martensite). Quando una SMA viene portata a bassa temperatura, assume una
configurazione di tipo martensitico, possiede basso limite di snervamento ed è facilmente
deformabile; in seguito ad un riscaldamento, la lega si “riarrangia” in un’altra struttura cristallina, di
tipo austenitico, e riassume quindi configurazione e forma iniziali.
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Con riferimento alla figura a lato, quando il materiale
viene deformato da una forza esterna, si ha uno
“snervamento” che coincide con l’inizio della
trasformazione martensitica rappresentato dal tratto AB. Si
genera una “martensite indotta da sforzo” (SIM) che si
trova a temperatura maggiore del suo campo di esistenza.
L’ampia deformazione imposta durante la fase di carico
viene immediatamente recuperata nella fase di scarico,
quando lo sforzo viene rimosso, caratterizzata da una
regione di deformazione a sforzo costante, con
trasformazione inversa da martensite ad austenite
indeformata (tratto CD). Tale proprietà è definita “pseudoelesticità”, poiché l’effetto complessivo è
quello di un materiale che accetta notevoli deformazioni e immediatamente recupera la forma
iniziale, con o senza riscaldamento finale.
La trasformazione martensitica, che può avvenire per una variazione di temperatura o in seguito
ad uno sforzo applicato, non avviene ad una precisa temperatura, ma entro un “range” di qualche
grado di temperatura, che varia a seconda della lega. Tale “range” è abbastanza ristretto ma può
essere esteso, anche di parecchio, dalle fasi iniziale e finale della trasformazione stessa.
Con riferimento alla figura a
lato,
applicando
una
sollecitazione σ dall’esterno, si
osserva che le varie parti della
struttura vengono deformate per
lo più indipendentemente le une
dalle altre e che si ha
prevalentemente
una
deformazione nella direzione
dello sforzo, con maggiore
sviluppo di alcune parti rispetto ad altre. La deformazione totale ε viene poi recuperata allorché la
struttura torna austenitica.
La figura (a) rappresenta la fase cristallina β del materiale; la figura (b) rappresenta la struttura
“twinned” dopo raffreddamento e trasformazione martensitica (si evidenziano le varie parti
indipendenti A, B, C, D); nella figura (c) la parte A risulta predominante dopo l’applicazione dello
sforzo, ovvero si è deformata più delle altre. Dopo il riscaldamento il materiale torna in fase β e
recupera la forma originale.
Dal punto di vista cristallino, gli atomi di Ni e Ti si dispongono sullo stesso reticolo, alternandosi
come illustrato nelle figure sotto nelle quali si ha la disposizione degli atomi di Ni e Ti nelle due
fasi. Qui la fase martensitica è rappresentata nella configurazione “twinned”.
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Un esempio di effetto memoria di forma è esemplificato
nella successione di immagini della figura a lato: ad un filo di
NiTi è stata impressa mediante adeguato trattamento termico,
la forma di un anello. Una volta raffreddato il piccolo gadget
è stato deformato in modo che la forma di partenza non sia
più riconoscibile. Malgrado ciò non si è avuto il
danneggiamento
delle
disposizioni
atomiche di partenza
e
semplicemente
riscaldando il filo (ad
esempio con aria
calda) si ha il progressivo recupero della forma iniziale.
Una
ulteriore
proprietà
delle
trasformazioni
martensitiche termoplastiche, come prima accennato, è la
possibilità di far avvenire la trasformazione non solo
variando la temperatura, ma anche mediante l'applicazione
di un opportuno stato di sollecitazione in condizione adeguate di temperatura.
Quello che succede fenomenologicamente è che il materiale recupera immediatamente la forma
iniziale dando l'impressione di una notevole elasticità (pseudoelasticità impropriamente detta
anche superelasticità) in quanto l'effetto complessivo è quello di un materiale che accetta notevoli
deformazioni ed immediatamente recupera la sua forma iniziale.
Applicazione particolare di questa proprietà la si trova ad esempio nella costruzione di
montature indeformabili per occhiali. Un occhiale con montatura composta da metalli
pseudoplastici (aste e naso) può venir chiuso all'interno della mano e ritornare alla forma iniziale
non appena viene riaperta la mano.
La figura sotto mostra in sequenza proprio la proprietà pseudoelastica di un occhiale realizzato in
lega a memoria di forma (NiTi), fortemente deformato e poi capace di recuperare immediatamente
la forma iniziale al cessare della forza deformante.
a) = deformazione; b) = rilascio del carico deformante; c) recupero della forma iniziale
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- Leghe a memoria di forma di interesse commerciale
Le leghe che si sono dimostrate più utili ed interessanti dal punto di vista commerciale sono
quelle NiTi e le leghe del rame.
Le proprietà di questi due sistemi sono molto diverse:
-
-
le leghe NiTi presentano una maggiore deformazione per effetto memoria di forma (fino
all'8% contro il 5% delle altre), sono più stabili termicamente, hanno un’eccellente
resistenza alla corrosione e sono più duttili;
le leghe del rame sono meno costose, possono venire fuse ed estruse (in aria) con più faciltà,
ed hanno un più ampio intervallo di trasformazione. Si trovano in sistemi ternari CuZnAl e
CuAlNi, o quaternari se contengono manganese. Elementi come B, Co, Ce, Fe, Ti, V e Zr
vengono aggiunti in piccole dosi per affinare la grana cristallina.
Il materiale a memoria di forma è disponibile in varie forme, in filo e lamiera, con dimensioni
molto ridotte quali fili da 30 μm e lamierini spessi 50 μm.
- Applicazioni delle Leghe a memoria di forma
Gli impieghi delle leghe a memoria di forma sono molteplici e riguardanti molti settori. Citeremo
di seguito i più importanti.
1) Ingegneria civile
- inserimento di pareti e staffe di supporto rimovibili
- dispositivi di smorzamento
2) Agenzie pubblicitarie, prodotti promozionali
- molle, nastri
- modelli in scala ridotta di prodotti con elevata elasticità (superelasticità)
3) Giocattoli
- giocattoli scientifici
- giocattoli che impieghino memoria di forma
4) Contenitori
- chiusure automatiche
5) Industria alimentare, farmaceutica
- elementi SMA per indicatori di temperatura
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6) Sicurezza
- elementi SMA quali rivelatori di incendio, perdite di prodotti criogenici, surriscaldamento di
freni, regolazione termica per atmosfere pericolose
7) Industria automobilistica
- elementi vari per ridurre vibrazione e/o rumore
- regolazione termica di:aria in entrata, acqua nel radiatore, ventilazione, aerazione,
lubrificazione, silenziatori per motociclette
8) Regolatori meccanici, idraulici, elettrici
- interruttori e commutatori di circuiti
- relè termici
- temporizzatori
- valvole termostatiche
- collegamenti elettrici (alta e bassa tensione)
- regolazione riscaldamento di serre
9) Elementi di fissaggio
- per pareti rimovibili
- tubazioni per acqua
- connessioni elettriche
10) Lavori idraulici
- valvole antivibrazione
- giunti autocentranti per tubi
11) Abitazioni
- elementi di smorzamento per riscaldamento centrale
- regolazione termica di persiane alla veneziana, serre, ecc.
12) Industria
- materiali antivibrazione per costruzione di: ingranaggi, porta utensili -lame per seghe circolari
- parti di telai per tessitura
13) Gas tecnici ed altri
- valvole di sicurezza per gas domestico e ad espansione termica
- limitatori di riempimento
- camice per bombole di gas tecnico
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14) Piccoli apparecchi domestici
- ingranaggi a rumore ridotto per macinacaffè, rasoi elettrici, ecc.
- sicurezze termiche contro surriscaldamento
15) Energia nucleare
- protezione contro surriscaldamento di barre, cavi...
16) Industria spaziale
- apertura di antenne regolata termicamente
- sensori
- basamenti ad azionamento termico per applicazioni solari
17) Militare
- riduttori di rumore e vibrazione
- sicurezza per armi da fuoco
- fabbricazione di munizioni
18) Apparecchiatura medica
- filtri anticoagulo per circolazione sanguigna
- perni per fratture ossee
- raddrizzatori delle ossa
- attrezzi di allenamento per le articolazioni
19) Apparecchi speciali
- motori solari
- pompe per acqua
- sensori solari
- forme e matrici per colata (per facilitare l'estrazione dei pezzi)
- Polimeri a memoria di forma (SMP)
Le leghe a memoria di forma (SMA), oltre a notevoli vantaggi, evidenziano, comunque, anche
alcuni svantaggi che ne limitano l’applicazione, come ad esempio:
-
un limitato recupero della deformazione impartita (inferiore all’8%),
costi elevati,
una temperatura di transizione relativamente invariabile,
……..
Tali limitazioni hanno fornito le motivazioni per la ricerca e lo sviluppo di materiali alternativi,
in particolare dei polimeri a memoria di forma (SMP).
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I polimeri a memoria di forma hanno destato un’attenzione via via sempre più crescente per via
della loro rilevanza scientifica e tecnologica. Rispetto alle SMA essi presentano:
-
deformazioni molto più importanti (100 ÷ 300%)
un più ampio panorama di proprietà meccaniche variabili
basso costo (in quanto polimeri)
bassa densità (leggerezza)
biocompatibilità
biodegradabilità
Essi rappresentano, indubbiamente, una classe emergente di polimeri con applicazioni che
spaziano in varie aree che toccano anche la vita di tutti i giorni. Per citare qualche esempio: tessuti
intelligenti, guaine heatshrinkable per l’elettronica, film per il packaging, dispositivi medicali
intelligenti, apparecchi per la chirurgia non invasiva, prodotti auto-assemblanti, ecc.
Fra i principali polimeri con proprietà di memoria di forma si citano: il polimetilmetacrilato, il
polinorbornene, il poliuretano e suoi derivati e numerosi altri.
Materiali a memoria di forma su Youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=O12_wd5sbQs
http://www.youtube.com/watch?v=e61Nsf9-aM0
http://www.youtube.com/watch?v=rnHjWvpInCI
http://www.youtube.com/watch?v=fsBHF_j2FJ4
http://www.youtube.com/watch?v=JKBM9my5eOA
http://www.youtube.com/watch?v=_CiErseFED8
Nanotecnologie su Youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=BdRKpSX8SNs
http://www.youtube.com/watch?v=2fpCwIIMyZQ
http://www.youtube.com/watch?v=oIV-MsQ-bos
http://www.youtube.com/watch?v=MG3fPUF7iH8
http://www.youtube.com/watch?v=JVWT-gkXCBs
http://www.youtube.com/watch?v=T09xm5PsdNs
http://www.youtube.com/watch?v=baILtGFxP4g
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