AmicoMario: PLASMARE LA MATERIA. DAI MATERIALI DI NUOVISSIMA GENERAZIONE AI “META-MATERIALI”? CHE COSA CI RISERVA ANCORA IL FUTURO?

Oristano 31 Dicembre 2017

Cari amici,
Questo è il mio post che chiude le riflessioni di quest'anno: un 2017 che, a detta di molti, non è stato proprio un anno da incorniciare! Tanti i problemi sul tappeto e poche le possibili, positive soluzioni. La speranza, comunque, non può e non deve mai mancare. Ecco perchè voglio oggi parlarvi di nuovi materiali che l'uomo cerca di "inventarsi": saranno le nuove scoperte che, probabilmente, aiuteranno le nuove generazioni a costruire il "loro" futuro. Personalmente è un augurio che faccio volentieri ai giovani di oggi, che si trovano in un guado che non appare facile da attraversare! Con l'augurio di un futuro migliore, ecco i materiali che saranno di casa nel prossimo futuro.

Che l’uomo abbia sempre cercato di trasformare ciò che trovava già pronto in natura è risaputo. Nel tempo si è passati dall’uso semplice dei materiali naturali a quello più complesso, ottenuto con la lavorazione/trasformazione dei materiali esistenti; lo possiamo constatare dall’analisi delle varie epoche, connotate come civiltà del ferro, del bronzo, e così via. L’evoluzione in effetti non si è mai fermata, e nonostante le scoperte, anche rivoluzionarie, nuovi materiali si affacciano e si aggiungono continuamente a quelli esistenti. Tra gli ultimissimi materiali combinati di recente, almeno, una decina sono ritenuti di notevole importanza per lo sviluppo delle moderne apparecchiature. Proviamo a dare uno sguardo a quelli più importanti.

NANOTUBI DI CARBONIO. I nanotubi di carbonio sono catene di carbonio, tenute insieme dal legame chimico più forte che esista: il legame sp2. Hanno notevoli proprietà fisiche, compreso il trasporto balistico degli elettroni, cosa che li rende ideali nell’elettronica. Hanno una resistenza alla trazione circa 300 volte superiore a quella degli acciai ad alto tenore di carbonio. Per questa ragione si immagina che potrebbero essere utilizzati per costruire ascensori spaziali.

AEROGEL. È la sostanza solida meno densa che si conosca e venne creata nel 1931 come risultato di una scommessa tra Steven Kistler e Charles Learned. Qualcuno lo chiama fumo ghiacciato o anche fumo blu ed è una miscela costituita da una sostanza allo stato solido e da un gas. Una specie di gel dove il componente liquido è sostituito con gas. Al 99,8% è aria, cosa che lo rende un fantastico isolante. Per esempio, un scudo di aerogel porebbe facilmente difendere da un lanciafiamme, così come potrebbe esser una calotta calda sulla Luna. Potrebbe diventare un componente delle armature militari del futuro.

IPERDIAMANTI. Il Diamante aggregato nanorod o iperdiamante, in sigla ADNRs (acronimo di aggregated diamond nanorods, lett. "nano-barre di diamante aggregato"), è un materiale superduro, che si è dimostrato il materiale conosciuto più duro e meno comprimibile esistente. Formato da nanotubi aggregati di diamanti è conosciuto anche come fullerite ultradura. Quando la nostra tecnologia arriverà all’impiego corrente degli iper-diamanti potremo dire di vivere davvero in un futuro da fantascienza.

SCHIUME METALLICHE. Una schiuma metallica è una struttura cellulare costituita da un metallo solido - spesso alluminio - di cui buona parte del volume è costituita da pori d'aria. I pori possono essere chiusi (schiuma a celle chiuse), oppure possono formare una rete interconnessa (schiuma a celle aperte). È un materiale forte e leggero che si ottiene aggiungendo idruro di titanio in polvere all’alluminio fuso e lasciando raffreddare il tutto. Avendo un ottimo rapporto resistenza-peso, sarebbero il materiale ideale per costruire colonie spaziali o città galleggianti.

DIAMANTI SINTETICI. Conosciuti anche come HPHT o CVD, sono diamanti ottenuti attraverso un processo tecnologico. Ciò rende possibile disporre di un materiale da costruzione immensamente forte, costituito da carbonio, con un’alta conducibilità termica e con un punto di fusione ed ebollizione tra i più alti fra tutti i materiali esistenti. Qualcuno immagina quanto migliorerebbe la potenza degli aerei da combattimento se fossero rivestiti con uno strato protettivo a base di diamanti sintetici.

GRAFENE. Costituito da uno strato di atomi di carbonio, ha la resistenza meccanica del diamante e la flessibilità della plastica. Soprannominato “il materiale delle meraviglie“, ha tutto il potenziale per rivoluzionare numerosi settori, dall’elettronica alla medicina. Il grafene è forte 200 volte più dell'acciaio. Come conduttore di elettricità funziona meglio del rame ed è poi un eccezionale conduttore di calore. É quasi trasparente, ma è così denso che nemmeno l'elio, il più piccolo gas atomico, può attraversarlo.

METALLI AMORFI. Chiamati anche vetri metallici, sono dei metalli con una struttura atomica disordinata (caratteristica del vetro). Sono due volte più forti dell’acciaio e possono disperdere l’energia di un impatto in modo più efficace. Hanno proprietà elettroniche tali che consentono di migliorare del 40% l’efficienza delle reti elettriche. Potrebbero costituire la prossima generazione di armature militari.

ALLUMINA TRASPARENTE. Tre volte più resistente dell’acciaio è molto trasparente. Le applicazioni di un materiale del genere vanno dalla costruzione di interi grattacieli completamente trasparenti alla realizzazione di enormi stazioni spaziali. Il suo impiego in futuro sarà straordinario.

E-TEXTILE (VESTITI INTELLIGENTI). Sono materiali che permettono di sviluppare abbigliamento che può visualizzare qualsiasi tessuto, proprio come un display. Inoltre, la composizione elettronica del tessuto è in grado di interpretare comandi vocali e touch per attivare, per esempio, una chiamata telefonica o la connessione a qualche server remoto. Le possibilità dell‘e-textile sono illimitate.

METAMATERIALI. Sono materiali creati artificialmente con proprietà elettromagnetiche specifiche davvero innovative, le cui caratteristiche non dipendono solo dalla loro composizione chimica ma anche dalla loro struttura. Sono stati utilizzati per la creazione di mantelli invisibili alle microonde e per altri dispositivi dalle proprietà ottiche insolite. Sono ritenuti ideali per la creazione di ologrammi su schermi bidimensionali.

Mi vorrei soffermare un po’ di più su questi ultimi prodotti definiti “Meta-materiali”. Sono dei prodotti di ‘sintesi’: dei materiali "alterati", le cui proprietà elastiche, acustiche, elettromagnetiche non sono legate alla composizione chimica, ma derivano invece dalla struttura interna, ovvero da come sono state assemblate (o ri-assemblate dall’uomo). Il risultato è tale che l’indice di rifrazione risulta negativo, proprietà quest’ultima considerata una delle più straordinarie e affascinanti tra quelle concepite e realizzate finora.

L'indice di rifrazione (insito nella materia) dipende dalle diverse proprietà dei materiali che vengono attraversati dalle onde. L'esempio classico è quello dell'aria, dell'acqua e della luce. L’uomo è riuscito a modificare, a "deviare" l’indice di rifrazione delle onde elettromagnetiche, acustiche, meccaniche portandolo ad un’angolazione completamente diversa da quella presente in natura. Un esempio banale è quello che possiamo osservare in piscina: guardandovi dentro, gli oggetti sotto l'acqua appaiono deformati, perché le onde luminose che colpiscono la superficie dell’acqua vengono rifratte dal liquido in maniera diversa da come avviene nell’aria, creando così la deformazione.

Il risultato ottenuto dai meta-materiali è straordinario: con un indice di rifrazione negativo cambia il senso dell'inclinazione. In parole povere, è come mettere uno specchio verticale alla superficie dell'"acqua a indice di rifrazione negativo", che ci consente di vedere dietro gli angoli. In natura non esistono materiali a indice di rifrazione negativo, ma l’uomo è riuscito a realizzarli. I campi di applicazione più interessanti sono quelli dell'imaging (ad esempio, la tomografia medica: raggi x, risonanza magnetica, ecografia...), quelli della comunicazione e in generale dell'acustica.

Per quanto riguarda l'imaging (la tomografia), non è difficile intuire che una tecnologia che ci permette di "vedere dietro gli angoli" può essere utile ad illuminare zone altrimenti non ben visibili di tessuti e materiali. Sarà possibile realizzare "super-lenti" capaci di risolvere strutture di dimensioni inferiori alle lunghezze d'onda della luce usata per illuminare e vedere le strutture stesse. Per la comunicazione, si possono costruire antenne le cui proprietà di irradiamento sono determinate semplicemente dalle proprietà microscopiche del materiale di cui sono fatte, e non dalla loro forma, spesso complicata e ingombrante. Con i metamateriali si avranno antenne leggere, facilmente trasportabili e rapidamente riconfigurabili. Vastissime le applicazioni nel campo dell'acustica, ancora in gran parte inesplorate.

Cari amici, la scoperta dei nuovi materiali sarà davvero importante negli anni a venire: le nuove tecnologie arriveranno a costruire sussidi per l’uomo finora inimmaginabili, consentendo certamente di liberarlo dalla fatica, e da molte preoccupazioni. Il problema più importante, però, sarà conciliare le esigenze scientifiche con quelle del lavoro, che non sempre camminano di pari passo! La robotizzazione che cancella milioni di posti di lavoro ne è un esempio. Forse in futuro dovranno essere riscritte molte delle norne che regolano l’odierna vita sociale! Ai giovani, alle nuove generazioni, l'ardua sentenza!

A domani.

Mario