AES_6 2022

FOCUS Approfondimenti 39 INDAGINE Automazione e Strumentazione n Settembre 2022 sta rivoluzionando la fabbricazione e la produzione di massa in diversi settori. Cerchiamo nei prossimi paragrafi di evidenziare i trend tecnologici salienti. Nanotecnologie Le “nanotecnologie” sono l’insieme dei metodi e delle tecniche per la manipolazione della materia su scala atomica e molecolare . Si noti che la realizza- zione di transistor e dispositivi su scala nanometri- ca offre funzioni più ampie rispetto a quelli classici utilizzati correntemente nell’industria elettronica. Due sono i principali fattori fisico-tecnologici alla base delle vastissime proprietà dei nanomateriali: l’incremento dell’ area superficiale e l’ effetto di confinamento quantico . Questi fattori determina- no non solo l’aumento delle caratteristiche mecca- niche ma anche l’insorgere di proprietà ottiche ed elettroniche del tutto nuove, opportunamente sfrut- tabili per varie applicazioni. Le dimensioni nanometriche delle particelle forni- scono un’ elevata superficie di interfaccia , confe- rendo così caratteristiche chimico-fisiche differenti ai materiali nanostrutturati e influendo sulle appli- cazioni nelle quali il rapporto superficie attiva/volu- me diventa determinante. Anche le proprietà ottiche , magnetiche ed elet- triche cambiano radicalmente a livello nanome- trico. Riducendo le dimensioni fino a raggiungere quelle tipiche nanometriche dei cosiddetti cluster, a causa del basso numero di atomi presenti nel clu- ster medesimo e del suo volume ridotto, nella strut- tura elettronica si manifesta una discretizzazione dei livelli energetici (quantizzazione), a sua volta dipendente dalle dimensioni del cluster. Questo fenomeno, denominato “quantum size effect”, dà origine a proprietà del tutto nuove, discordanti con quelle tipiche del materiale a dimensioni macro- scopiche ordinarie. Tra le tecnologie emergenti, le nanotecnologie rappresentano dunque per il mondo dell’industria un’imperdibile occasione di crescita e innovazione, interessando settori come la medi- cina, le biotecnologie, l’agricoltura e l’informatica, fino alla struttura dei materiali, alla ricerca spazia- le, all’ambiente, alla meccanica, alla sicurezza e ai rivestimenti anticorrosione e decorativi. Numerose sono anche le applicazioni nel campo dell’industria biomedica: dalla fabbricazione di protesi ossee e dentali, alla diagnostica e sensoristica, all’ingegne- rizzazione di molecole farmacologiche per la cura di malattie. Il confine delle nanotecnologie tocca anche la realizzazione di sensoristica e dispositivi miniaturizzati di tipo MEMS (Micro Electro-Me- chanical Systems) e NEMS (Nano Electro-Mecha- nical Systems), vere e proprie strutture integrate meccaniche ed elettroniche in silicio monocristal- lino, su scala micrometrica e nanometrica rispet- tivamente. Smart Material A partire dalle nanotecnologie sono stati sviluppati nuovi materiali con funzioni sorprendenti, a pieno titolo protagonisti della quarta rivoluzione indu- striale. Questi smart material si caratterizzano per la capacità di svolgere nuove e più complesse funzio- ni, anche contemporaneamente. È il caso ad esem- pio di vernici in grado di proteggere da corrosione e umidità o di generare autonomamente energia. Esempi di questi nuovi materiali sono il grafene , il phagrefene , i materiali bio ispirati , il post silicio , i nanotubi al carbonio. Una particolare applicazione dei nanomateriali è quella della realizzazione di materiali intelligenti, come ad esempio gli elastomeri , in grado di de- formarsi e di ritornare in posizione. Altri esempi interessanti sono rappresentati dai materiali piezo- elettrici , che sono in grado di generare una carica elettrica se sottoposti ad una deformazione, o vice- versa produrre una deformazione se alimentati da una sorgente elettrica. E ancora, i polimeri sensibili all’acidità (che si al- lungano o accorciano al variare del pH del liquido in cui sono immersi), i materiali che cambiano colo- re (se sottoposti a cambiamenti termici, meccanici, ottici, elettrici o chimici), le leghe e i polimeri a me- moria di forma deformabili al variare della tempe- ratura, del campo magnetico o del campo elettrico, e che, dopo essere stati deformati, possono ritornare alla forma iniziale, se viene rimossa la sorgente di temperatura o di campo magnetico. Grafene Tra i materiali intelligenti non possiamo non cita- re il più noto, il grafene . Si tratta di un allotropo (composto che può assumere forme cristalline di- verse) costituito da un unico strato di atomi di car- bonio disposti in un reticolo esagonale ed è l’ele- mento strutturale di base di molti altri allotropi di carbonio. La scoperta di questo materiale rivoluzio- nario nel 2004, valse il premio Nobel per la Fisica nel 2010 ai fisici russi Andrej Gejm e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester. Il grafe- ne è caratterizzato dall’essere sottile (lascia passare infatti il 97,7% della luce), trasparente , resistente e flessibile . Sebbene abbia lo spessore di un singolo atomo, il grafene assorbe solo il 2,3% delle radia- zioni della luce su tutto lo spettro ottico. La macro- molecola di grafene è anche un ottimo conduttore di calore e di elettricità . Secondo i suoi scopritori,