Settore: Advanced material

I materiali avanzati sono materiali progettati e sviluppati per ottenere proprietà superiori rispetto ai materiali tradizionali, modificandone la composizione, la struttura o il processo di fabbricazione. I materiali avanzati o advanced materials in inglese, hanno ad esempio alte prestazioni meccaniche, come una rigidità o una resistenza superiore, resistono a temperature estreme o hanno una conducibilità termica o elettrica amplificata, proprietà ottiche particolari, resistenza alla corrosione o all’ossidazione, oppure una biocompatibilità ottimizzata, etc.  Questi materiali sono fondamentali per l’innovazione tecnologica e alla base di molte tecnologie moderne, vengono usati in numerosi settori industriali quali l’aerospaziale, l’automobilistica, l’elettronica, l’energia, la medicina e altro ancora.

Qui di seguito vediamo alcuni esempi di materiali avanzati che includono materiali compositi ad alte prestazioni, nanomateriali come il grafene, leghe a memoria di forma, materiali ceramici avanzati, polimeri ingegnerizzati e molti altri.

I materiali compositi sono materiali ingegnerizzati composti da due o più componenti distinti, come fibre o particelle, incorporati in una matrice. Offrono una combinazione di proprietà non presenti nei singoli componenti, come un elevato rapporto forza-peso, rigidità e resistenza alla corrosione. Ne sono un esempio i polimeri rinforzati con fibre di carbonio (carbon fiber-reinforced polymers CFRP), la fibra di vetro e i compositi a matrice ceramica (ceramic matrix composites CMC). I compositi a fibra di carbonio (CFRP) vengono utilizzati nell’aerospaziale (componenti aeromobili, navicelle spaziali), nell’automobilistica (carrozzerie, telaio), nelle attrezzature sportive (biciclette, racchette da tennis), o ad esempio nelle pale eoliche.

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I nanomateriali sono costituiti da strutture a scala nanometrica, con dimensioni inferiori ai 100 nanometri. Presentano proprietà uniche grazie alle loro piccole dimensioni e all’elevato rapporto superficie/volume. Ne sono un esempio i nanotubi di carbonio, il grafene, i quantum dots e le nanoparticelle utilizzate in numerose applicazioni come l’elettronica (ad esempio il grafene nei display flessibili), la catalisi, i sensori, i dispositivi biomedici, la nanomedicina, etc. I nanotubi di carbonio (CNT) sono ad esempio utilizzati per l’accumulo di energia (supercondensatori, batterie) o come sensori (sensori di deformazione, sensori di gas).

I reticolati metallo-organici (Metal Organic Framework MOF) trovano applicazioni nello stoccaggio e la separazione di gas (gas naturale, idrogeno, cattura di carbonio), la catalisi, ma anche il drug delivery o la sensoristica.

Gli smart materials o materiali intelligenti/reattivi possono percepire e rispondere a stimoli esterni, come la temperatura, la luce, la pressione o i campi magnetici, modificando le loro proprietà o la loro forma. Ne sono un esempio le leghe a memoria di forma (ad esempio, il Nitinol), i materiali piezoelettrici e i materiali magnetostrittivi utilizzati in attuatori, sensori e strutture adattive. Altri materiali detti funzionali sono progettati per svolgere funzioni specifiche, come la conversione, l’immagazzinamento, il rilevamento e l’attuazione dell’energia, come ad esempio i materiali fotovoltaici per le celle solari, i materiali termoelettrici per la raccolta di energia e i materiali elettrocromici per le finestre intelligenti.

I materiali biocompatibili sono progettati per interagire con i sistemi biologici senza causare reazioni avverse. Vengono utilizzati negli impianti medici, nell’ingegneria dei tessuti, nei sistemi di drug delivery e nei dispositivi diagnostici. Ne sono un esempio i polimeri biodegradabili, gli idrogel e le ceramiche bioattive. I polimeri biodegradabili sono utilizzati in impianti medici (suture, strutture di supporto per tessuti), materiali per imballaggio (plastica biodegradabile), pellicole agricole, sistemi di drug delivery, etc.

Metalli e leghe ad alte prestazioni ovvero materiali metallici avanzati offrono proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e stabilità ad alte temperature, ben superiori rispetto ai metalli tradizionali, come ad esempio gli acciai ad alta resistenza, le leghe di titanio, le superleghe a base di nichel e i metalli refrattari utilizzati nelle applicazioni aerospaziali, automobilistiche ed energetiche.

Le ceramiche avanzate presentano eccezionali proprietà meccaniche, termiche ed elettriche, che le rendono adatte per applicazioni ad alta temperatura, componenti elettronici e rivestimenti resistenti all’usura. Ne sono un esempio il carburo di silicio, l’allumina e la zirconia.

I materiali a membrana sono barriere selettivamente permeabili utilizzate per processi di filtrazione, separazione e purificazione in vari settori, tra cui il trattamento delle acque, la separazione dei gas e le applicazioni biomediche. Ne sono un esempio le membrane polimeriche, le membrane ceramiche e le membrane a base di ossido di grafene.

La caratterizzazione dei materiali avanzati necessità un insieme di tecniche e metodologie per analizzare la loro struttura, le proprietà e le prestazioni dei materiali a varie scale, dai livelli atomici e molecolari alle dimensioni macroscopiche. L’uso di tecniche complementari è essenziale per comprendere il comportamento dei materiali in diversi ambienti e applicazioni, e consentendo lo sviluppo di materiali sempre più innovativi con proprietà e funzionalità specifiche.

Alfatest propone molte tecnologie per la caratterizzazione dei materiali avanzati (e non), qui di seguito elenchiamo alcune tra le più utilizzate.

Microscopia elettronica a scansione(SEM)

Microscopia elettronica a scansione (SEM) fornisce immagini ad alta risoluzione della morfologia superficiale dei materiali, utile sia per esaminare le caratteristiche strutturali e superficiali che per l’analisi dei difetti (failure analysis).