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Materiali Avanzati
II parte
Lezioni d'Autore
di Giorgio Benedetti
GLI SMART MATERIALS
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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
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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:
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Leghe con memoria di forma (SMA)
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Ceramiche piezoelettriche
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Materiali magnetostrittivi
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Fluidi elettroreologici
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Fluidi magnetoreologici
LEGHE A MEMORIA DI FORMA (SMA)
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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
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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
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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.
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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
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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
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Altoparlanti acustici e
ultrasonici (sounders,
buzzers, beepers)
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Sonde di profondità
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Fish Finders
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Sensori di vibrazioni
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Attuatori
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Sensori di shock
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Gas Igniters
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Remote Controls
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Nebulizzatori
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Pulitori ultrasonici
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Sensori di tilt
MATERIALI MAGNETOSTRITTIVI
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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
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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
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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:
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l’industria meccanica

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l’industria automobilistica e
aerospaziale

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sospensioni, freni, frizioni
Pistone di una sospensione funzionante
con un fluido MR
l’industria biomedicale

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smorzatori, deceleratori
smorzatori per protesi
l’industria delle costruzioni

supporti antisismici
Apparato per riabilitazione del ginocchio
che utilizza un fluido elettroreologico
I NANOMATERIALI
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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:
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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
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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)
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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
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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
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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
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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