Materiali Avanzati II parte Lezioni d'Autore di Giorgio Benedetti GLI SMART MATERIALS Sono materiali che rispondono a stimoli ambientali modificando le proprie caratteristiche fisiche, come dimensione, forma, conducibilità elettrica o magnetica, proprietà ottiche. Gli smart materials (SM) rispondono molto velocemente alle variazioni dell’ambiente, spesso in millesimi o milionesimi di secondo Input, stimolo SM Smart material Output, risposta STRUTTURE INTELLIGENTI Uno smart system o smart structure è una struttura intelligente in grado di monitorare l’ambiente operativo, di raccogliere informazioni ed interpretarle, dando risposte appropriate ai cambiamenti che intervengono nell’ambiente stesso. Il sensore è uno SM che rileva una variazione nell’ambiente circostante. L’unità di controllo acquisisce ed elabora i dati e determina che tipo di variazione deve avvenire inviando un segnale allo stesso o ad un secondo SM, l’attuatore, che varia una o più proprietà fisiche TIPOLOGIE DI SMART MATERIAL Gli smart material vengono usati in numerose applicazioni nelle produzioni industriali, nei sistemi di infrastrutture civili, in biomeccanica e difesa dell’ambiente. Gli SM più comunemente impiegati sono: Leghe con memoria di forma (SMA) Ceramiche piezoelettriche Materiali magnetostrittivi Fluidi elettroreologici Fluidi magnetoreologici LEGHE A MEMORIA DI FORMA (SMA) È una classe di materiali metallici dalle particolari proprietà meccaniche. Se vengono scaldati dopo essere stati deformati, ritornano alla forma iniziale, sono cioè capaci di subire trasformazioni cristallografiche reversibili, in funzione dello stato tensionale e termico. Durante il processo queste leghe sono in grado di esercitare un'intensa forza che permette loro di fungere da attuatori. I più comuni SMA utilizzati sono leghe di NiTi, CuZnAl, and CuAlNi MECCANISMO DI FUNZIONAMENTO DI UNA SMA Tutte le SMA esistono in due fasi conosciute come martensite (più stabile a bassa temperatura) e austenite (più stabile alle alte temperature). Nella fase martensitica, il materiale è in grado di sopportare un alto grado di deformazione senza tuttavia rompere i legami chimici. In seguito a riscaldamento la lega si riarrangia nella struttura cristallina iniziale e riassume quindi la configurazione e la forma rigida della austenite indipendentemente dalla deformazione subita nella fase martensite. I MATERIALI PIEZOELETTRICI La piezoelettricità è una caratteristica di alcuni cristalli che quando sono sottoposti a forze meccaniche sviluppano cariche elettriche sulla loro superficie (effetto piezoelettrico diretto) e viceversa, si espandono o si contraggono in risposta a una differenza di potenziale applicata (effetto piezoelettrico inverso). Sulla base di questi due effetti si possono costruire sia sensori (effetto diretto) che attuatori (effetto inverso). EFFETTO PIEZOELETTRICO La piezoelettricità si manifesta nei cristalli non dotati di centro di simmetria come il quarzo. In un reticolo cristallino simmetrico, il baricentro delle cariche positive e negative coincidono e perciò non si manifesta alcuna polarizzazione. Se il reticolo simmetrico viene sottoposto a due forze opposte, la cella si deforma ma i baricentri delle cariche coincidono ancora determinando una polarizzazione nulla. Se nel reticolo non c’è un centro di simmetria quando è presente una deformazione i due baricentri delle cariche non coincidono più e si crea un dipolo. Si perde la condizione di neutralità elettrica del materiale e sulle facce del cristallo si crea un accumulo di carica elettrica di segno opposto. I MATERIALI PIEZOELETTRICI CERAMICI Oggi si utilizzano ceramiche sinterizzate con struttura policristallina: Piombo Zirconato-Titanato (PZT) Piombo Titanato, Piombo Zirconato, Bario Titanato. Questi materiali ceramici policristallini sono costituiti da domini di Weiss orientati casualmente che non mostrano proprietà piezoelettriche. È necessario creare uno stato iniziale in cui i dipoli siano orientati nella stessa direzione sottoponendo il materiale ad un intenso campo elettrico (poling). APPLICAZIONI DEI MATERIALI PIEZOELETTRICI Altoparlanti acustici e ultrasonici (sounders, buzzers, beepers) Sonde di profondità Fish Finders Sensori di vibrazioni Attuatori Sensori di shock Gas Igniters Remote Controls Nebulizzatori Pulitori ultrasonici Sensori di tilt MATERIALI MAGNETOSTRITTIVI Il termine magnetostrizione descrive la tendenza di alcuni materiali a subire una variazione delle proprie dimensioni in presenza di un campo magnetico. Questo effetto fu descritto per la prima volta nel 1842 dal fisico J. Joule. Esposti a campi magnetici esterni, materiali ferromagnetici come il cobalto, il ferro e le leghe di modificano la loro lunghezza. L’effetto magnetostrittivo, ΔL, è dovuto all’allineamento dei domini magnetici presenti nel material a causa del campo magnetico esterno, H. APPLICAZIONI DEI MATERIALI MAGNETOSTRITTIVI Nelle leghe di ferro, nichel o cobalto l’effetto magnetostrittivo può generare allungamenti in un intervallo da 10 a 30 m/m. Le leghe ferrose contenenti elementi delle terre rare come il terbio (Tb) e il disprosio (Dy) presentano effetti magnetostrittivi fino a 2000 m/m (giant magnetostrictive materials – GMM), come ad esempio la lega Terfenol-D I materiali magnetostrittivi hanno trovato applicazione in meccanica, con le micropompe, in elettronica, con i microinterruttori, e in biomedicina, con i microsensori di pressione e i microviscosimetri. FLUIDI ELETTROREOLOGICI E MAGNETOREOLOGICI I fluidi magnetoreologici (MR) ed elettroreologici (ER) sono materiali che manifestano una variazione del comportamento reologico quando soggetti rispettivamente ad un campo magnetico o elettrico. La variazione reologica è reversibile e termina quando il campo esterno è rimosso e può avvenire con tempi di alcuni millisecondi. Rappresentazione schematica del comportamento di un materiale MR sotto influenza di un campo magnetico. (a) in assenza di campo elettrico le particelle sono distribuite casualmente. (b) quando è applicato un forte campo elettrico le particelle si allineano causando una variazione della viscosità del fluido. APPLICAZIONI MATERIALI MR ED ER I settori dove i materiali MR ed ER trovano applicazioni sono: l’industria meccanica l’industria automobilistica e aerospaziale sospensioni, freni, frizioni Pistone di una sospensione funzionante con un fluido MR l’industria biomedicale smorzatori, deceleratori smorzatori per protesi l’industria delle costruzioni supporti antisismici Apparato per riabilitazione del ginocchio che utilizza un fluido elettroreologico I NANOMATERIALI Nanotecnologia è lo studio dei fenomeni e della manipolazione dei materiali a livello atomico e molecolare. Sono definiti come nanomateriali quei materiali che hanno componenti strutturali con almeno una dimensione nell’intervallo 1-100 nm. I due principali fattori che determinano le proprietà dei nanomateriali e che li rendono differenti dai materiali tradizionali sono: l’incremento relativo dell’area superficiale e gli effetti quantistici. A livello nanometrico, il materiale assume un comportamento nuovo. Mentre la forza di gravità non ha praticamente nessuna importanza, divengono importanti le forze di van der Walls, le forze di tensione superficiale e tutte quelle forze che interessano l’atomo e le interazioni tra gli atomi. TECNICHE PER LA MANIPOLAZIONE DEI NANOMATERIALI Sono due gli approcci che si possono utilizzare per realizzare nanomateriali: metodo “top-down” partendo da aggregati macroscopici e procedendo verso il basso con riduzione delle dimensioni e riordinamenti successivi Metodo “bottom up” partendo da piccoli componenti, normalmente molecole o aggregati di molecole (building blocks) si cerca di controllarne l’autoassemblaggio sfruttando il riconoscimento molecolare per realizzare nanostrutture ordinate TIPOLOGIE DI NANOMATERIALI A seconda della dimensionalità si definiscono alcune tipologie tipiche dei nanomateriali. Essi possono essere classificati sulla base del numero di dimensioni che non sono confinate nel campo della nanoscala (<100 nm). ESEMPI DI NANOMATERIALI: PUNTI QUANTICI (QD) Sono aggregati nanocristallini, caratterizzati da un elevato rapporto superficie volume della dimensione di 2-10 nm Sono composti da metalli, come il selenio e cadmio, che contengono da 10 a 105 atomi con particolari proprietà elettriche, ottiche, magnetiche o catalitiche. I punti quantici possono essere progettati per emettere luce se eccitati ad una frequenza che dipende, a parità di materiale, dalla dimensione e dalla forma. Emissione di fluorescenza di QD CdSe di diversa dimensione ESEMPI DI NANOMATERIALI: I NANOTUBI I nanotubi sono strutture tubolari aventi un diametro del tubo che va da qualche nanometro a qualche decina di nanometri. Possono essere costituiti di diversi materiali, come ad esempio da carbonio, carburo di boro, solfuro di tungsteno o da molibdeno. I nanotubi di carbonio (CNT) hanno diametro di circa 1 nm e lunghezza anche di alcune centinaia di micron derivanti dall’avvolgimento su se stesso di un foglio di grafite di spessore atomico. Le applicazioni principali includono l’utilizzo dei CNT come emettitori di campo, nanodispositivi elettronici ed elettromeccanici, nanosensori, nanosonde per microscopi e nella produzione di materiali compositi. EFFETTO LOTO I nanotubi possono disporsi a foresta, cioè in aggregati molto densi di nanotubi allineati verticalmente. Un materiale costituito da una foresta di nanotubi addizionata con politetrafluoroetilene (PTFE) per aumentarne l'idrofobicità è in grado di produrre l'effetto autopulente (effetto loto). L'idrofobicità del materiale non lascia depositare l'acqua e la struttura tridimensionale della foresta fa scivolare via tutte le particelle di sporco NANOMATERIALI ED AMBIENTE La quantità di prodotti in commercio contenenti nanomateriali è in notevole crescita. L’utilizzo dei nanomateriali ha sollevato questioni circa i loro potenziali effetti sulla salute e sull’ambiente. La maggiore reattività chimica di questi materiali implica, potenzialmente, una più accentuata attività biologica. Effetti positivi: attività antiossidante, penetrazione delle barriere cellulari per il rilascio di farmaci Effetti negativi: tossicità, induzione disfunzione cellulare di stress ossidativo o di FINE