Biomateriali

Materiali

I materiali sono un aggregato di atomi o molecole in grado di opporre un’adeguata reazione a stimoli chimici, fisici e a sollecitazioni meccaniche per consentirne l’impiego per la realizzazione di oggetti, componenti e strutture. In base alla struttura chimica, la struttura a livello atomico, come sono legati e organizzati gli atomi tra loro:

• Metallici
• Ceramici (e vetri)
• Polimerici (e materiali naturali)
• Materiali compositi

La proprietà di un materiale non è legata solo all’elemento, ma anche alla struttura, possono avere forme allotropiche differenti (es. carbonio nello stesso stato elementare si presenta come diamante e come grafite). Le proprietà dei materiali dipendono dalla loro microstruttura, che dipende sia dalla composizione e dall’organizzazione atomica e molecolare, che dai trattamenti fisici e chimici che ha subito il materiale durante la sua fabbricazione e trasformazione. Inoltre, la microstruttura subisce delle modificazioni durante l’utilizzo e l’esercizio del materiale, allora ne risultano modificate anche le sue proprietà.

I processi di fabbricazione e i trattamenti di modifica possono differire da un oggetto all’altro e questo può portare ad avere due oggetti uguali ma con proprietà differenti.

Proprietà macroscopiche

Considerano il comportamento del materiale nel suo insieme:

• Isotropo: reazioni uguali all’applicazione della stessa sollecitazione, proprietà uguali in tutte le direzioni (altrimenti è anisotropo).

Le proprietà dei materiali vengono studiate sperimentalmente con appositi campioni, rappresentativi dell’insieme del materiale, considerando tutte le variabili e le condizioni.

Proprietà microscopiche

A livello microscopico la struttura dei legami è influenzata da:

• Natura dei legami tra gli atomi, da cui nasce la forza dei legami, e le molecole e mobilità elettroni, legame metallico
• Dimensioni molecole: polimeri, generalmente sono monodimensionali, in una direzione si hanno legami importanti, in altre direzioni non sono importanti
• Disposizione spaziale: il carbonio che in base a come si dispongono i legami forma il diamante o la grafite
• Presenza di difetti: soprattutto per i sistemi di tipo metallico

Legami chimici

• Forti: legame ionico, legame covalente, legame metallico
• Deboli: ponte a idrogeno, van der Waals

Struttura dei materiali

Gli atomi e le molecole possono disporsi in modo più o meno ordinato, la materia può assumere diverse forme strutturali che dipendono dalla disposizione degli atomi o delle molecole nello spazio. A seconda del grado di ordine degli elementi possiamo avere una struttura:

• Cristallina: cella elementare, unità strutturale minima che descrive il sistema, poiché la sua ripetizione nelle tre dimensioni dello spazio può generare l’intero reticolo. I legami che tengono insieme i cristalli sono legami forti con elevate caratteristiche meccaniche, per questo motivo è prevedibile un’elevata resistenza alle sollecitazioni (es. metalli ceramici). Possono essere isotrope o anisotrope.
• Semicristallina: coabitazione delle due strutture in base alla zona (es. polimeri semicristallini, hanno parte delle molecole disposte in modo ordinato e parte in modo disordinato).
• Amorfa: disposizione disordinata simile a quella dei liquidi. I legami all’interno delle molecole sono forti, mentre sono deboli tra molecole. Le caratteristiche meccaniche sono inferiori rispetto a quelle delle strutture cristalline. Sono sempre anisotrope, perché ho una disposizione disordinata.

Tali strutture possono presentare dei difetti che sono molto importanti nel determinare le caratteristiche finali.

Proprietà

Resistenza meccanica, rigidezza, lavorabilità, conducibilità elettrica e termica, densità...

Classificazione dei solidi in base ai legami:

• Solidi metallici, che hanno legami metallici: determinati dalla messa in compartecipazione degli elettroni esterni tra tutti gli elementi metallici attigui, sono legami forti adimensionali.
• Solidi covalenti, che hanno legami covalenti: sono direzionali, cioè orientati nello spazio. L’aggregato di atomi tenuti insieme da legami covalenti costituisce una molecola e se il numero di atomi coinvolti è molto elevato si parla di macromolecola o polimero.
• Solidi ionici, che hanno legami ionici: sono adirezionali e si distribuiscono uniformemente nello spazio, anioni e cationi si dispongono gli uni attorno agli altri a formare strutture spaziali solide.
• Aggregati di atomi tenuti insieme sia da legami covalenti che da legami ionici: solidi ceramici. I composti stabili finali non sono molecole.
• Solidi molecolari, che hanno legami deboli (legami di tipo elettrostatico), sono di tipo intermolecolare o intramolecolare: legame a idrogeno, attrazioni dipolo-dipolo, legami di Van der Waals, che si manifestano solo a distanza molto ravvicinata.

Classificazione in base alle classi di materiali:

Materiali metallici

Sono materiali inorganici composti da un elemento metallico o da più elementi metallici o non metallici. Sono allo stato di solidi cristallini a temperatura ambiente. Grazie al legame metallico, che prevede una nuvola di elettroni, abbiamo una mobilità degli elettroni.

Materiali polimerici (polimeri organici)

Materiali organici composti da lunghe catene molecolari (macromolecole), formate per la maggior parte da atomi di carbonio legati ad altri elementi (H, O, Cl, S). Gli elettroni di legame sono impegnati nei legami, quindi generalmente sono ottimi isolanti elettrici e termici. Inoltre, cristallizzano con difficoltà ed hanno proprietà fisiche molto diverse tra loro.

Materiali ceramici

Materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro, attraverso legami ionici e covalenti. Gli elettroni di legame sono impegnati a riempire gli orbitali e non sono propensi a muoversi liberamente. Sono ottimi isolanti termici ed elettrici e inoltre sono fragili (duri e non elastici).

Materiali compositi

È un sistema di materiali composto da una miscela o combinazione di due o più macro-costituenti che differiscono nella forma e nella composizione chimica e sono insolubili l'uno e l'altro.

Proprietà dei materiali

Il comportamento di un materiale è caratterizzato dalla sua reazione ad una sollecitazione. Infatti, la proprietà di un materiale può essere definita come la misura di un comportamento in una prova. Tre categorie di proprietà a seconda del tipo di sollecitazioni esterne applicate:

• Proprietà chimiche: comportamento dei materiali in un ambiente chimico aggressivo, particolare o specifico.
• Proprietà fisiche: comportamento dei materiali sotto azione di forze fisiche come temperatura, campi elettrici o magnetici, luce. Molto importanti per la selezione dei materiali, poiché danno informazioni su: densità, punto di fusione, proprietà ottiche (colore, trasparenza), proprietà termiche, proprietà elettriche e magnetiche.
• Proprietà meccaniche: comportamento dei materiali sottoposti all’azione di un sistema di forze. Sono molto sensibili ai processi di lavorazione e trasformazione. Il comportamento del materiale dipende da: tipo di legami, morfologia (struttura molecolare), tipo e numero di difetti, tipo di sforzo e modo in cui è applicato.

Deformazioni a seguito della risposta meccanica

• Elastica: al termine dell’applicazione della forza mi riporta il materiale nella situazione iniziale, quindi quando la deformazione prodotta nel corpo viene completamente recuperata dopo la rimozione della forza.
• Plastica: non ritorna più come prima.
• Viscosa: si comporta in maniera intermedia, come si comporta un fluido (capacità di recupero parziali).

Avremo perciò materiali elastoplastici, elastici e viscoelastici (es. polimeri amorfi, polimeri semicristallini, biopolimeri, metalli ad elevate temperature). Ogni forza o carico applicato ad un materiale produce uno sforzo ed una deformazione nel materiale.

Sforzo

Intensità della forza di reazione in ogni punto del corpo del materiale sottoposto a carichi (si misura essenzialmente come una pressione), che possono essere:

• In differenti condizioni di lavorazione e fabbricazione
• In seguito a cambiamenti termici

Tipi di sforzo: normale (trazione/compressione), flessione, taglio (dipende da orientazione). Stress: è la forza di reazione in ogni punto di un campione soggetto a carichi durante l'uso in differenti condizioni di processo e manifattura e dopo variazioni termiche. Deformazione: la deformazione al taglio è espressa anche dalla grandezza dell'angolo theta che risulta dalla variazione dell'inclinazione di un particolare piano soggetto allo sforzo da taglio.

Modulo di elasticità

Tensione/deformazione. Rigidità (rigidezza): capacità che ha un corpo di opporsi alla deformazione elastica provocata da una forza applicata (più elevato è il modulo elastico, più rigido è il materiale).

Elasticità entalpica

Nei metalli e nei ceramici è ridotto il movimento degli atomi a causa dei legami forti nella struttura, quando gli atomi sono sottoposti ad una carica esterno. Se tali interazioni determinano un dislocamento degli atomi, questi, una volta rimosso il carico, riescono a rioccupare la loro posizione iniziale ed il materiale è detto elastico. Mantiene un’entropia pressoché costante mentre sale molto l'energia interna, assorbita dagli atomi.

Elasticità entropica

È caratteristica dei materiali polimerici costituiti a livello molecolare da catene; tale elasticità scaturisce da un movimento delle catene da uno stato ad elevata entropia (lo stato più probabile, in cui le catene sono più disordinate) ad uno stato a bassa entropia (uno stato meno probabile e più ordinato), che avviene durante l’allungamento del materiale. Permettono grandi scorrimenti e deformazioni, pertanto a sforzi e tensioni bassi corrispondono deformazioni apprezzabili. Questi materiali sono detti elastomeri (lunghe catene macromolecolari tenute insieme da pochi legami a ponte). L’entropia diminuisce di molto perché sto andando a fare qualcosa di più ordinato, l’energia interna rimane invariata perché non smuovo legami forti.

Prove di trazione

Sono prove standard volte a determinare il comportamento meccanico di un materiale e sono realizzate applicando una forza di trazione, su un provino (di geometrie diverse) di materiale portandolo fino alla rottura, seguendo un procedimento di carico a velocità di deformazione costante. Abbiamo anche le prove a compressione e l’isteresi.

Per un materiale ideale (perfettamente elastico) la curva di trazione è reversibile (comportamento lineare) e l'energia assorbita durante il carico è interamente restituita. Ma i materiali non hanno un comportamento elastico ideale e per questo motivo parte dell'energia fornita viene dissipata per attrito interno (movimento di dislocazione nei metalli o di catene nei polimeri).

Per i materiali viscoelastici la deformazione avviene in parte per scorrimenti viscosi tra le molecole e l'energia assorbita durante la deformazione non viene restituita integralmente ma si trasforma in calore.

Tenacità

Capacità di un materiale di assorbire energia prima della rottura (energia che sottintende la curva fatta da due pezzi di comportamento diverso, riguarda tutto il meccanismo). Resilienza: capacità di assorbire energia nel campo elastico.

Prove di resistenza all’urto

Si vuole valutare la quantità di energia assorbita da un provino standardizzato se colpito da un maglio di cui è nota l'energia cinetica. L’energia assorbita è utilizzata come indice della suscettibilità alla rottura duttile o alla rottura fragile.

• Charpy test: impatto al centro del provino (di solito ha già un intaglio)
• Izod test: impatto ad un’estremità

Due tipi di frattura, che dipendono dall’applicazione del carico e dalla temperatura, non sempre il comportamento duttile o fragile è una caratteristica intrinseca del materiale:

• Duttile: avviene dopo una deformazione plastica estesa e presenta basse velocità di propagazione della rottura. A livello microstrutturale si verifica uno scorrimento irreversibile tra gli atomi del reticolo cristallino per scorrimento di dislocazioni, determinando una deformazione permanente residua.
• Fragile: avviene lungo piani cristallografici caratteristici chiamati piani di clivaggio e si propaga velocemente. (Ceramici: rottura di legami primari senza che sul provino si verifichino significative deformazioni dello stesso).

Fatica

Risposta a sollecitazioni ripetute nel tempo, in modo ciclico.

Prove a fatica

Si sollecitano diversi provini con diversi sforzi di diversa intensità, voglio vedere quante volte posso usare quel materiale: si misura il numero di cicli dopo i quali i provini giungono alla rottura e si riportano in un grafico i valori di stress in funzione del numero di cicli a rottura.

Durezza

Misura della resistenza di un materiale alla deformazione plastica permanente.

Organizzazione, struttura e proprietà dei materiali

Materiali metallici

I materiali metallici sono materiali inorganici composti da un unico elemento metallico o, nel caso di leghe metalliche, da due o più elementi anche non metallici. Tutti i metalli, tranne il mercurio, a temperatura ambiente si presentano allo stato solido. La struttura reale di metalli e leghe non è perfetta, può presentare dei difetti che influenzano le proprietà meccaniche, chimiche ed elettriche. Gli atomi di uno o più elementi metallici (Fe, Cu, Al…) e atomi non metallici (C, N) si legano nello spazio per formare reticoli cristallini, caratterizzati dalla presenza unicamente di legami metallici forti, in cui gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi in modo delocalizzato (nuvola elettronica) tra i vari atomi del reticolo cristallino. Questo conferisce ai metalli la proprietà di elevata conducibilità elettrica e termica. La struttura con cui cristallizza un particolare metallo è quella che dà al metallo la configurazione con energia minima. Rappresenta la configurazione più stabile, anche se non la più compatta. La possibilità di cambiare struttura in funzione della temperatura si chiama polimorfismo e le diverse strutture che si formano vengono chiamate forme allotropiche.

Difetti della struttura cristallina

• Difetti puntiformi (coinvolgono un numero ridotto di atomi). Possono essere costituiti da:
• Vacanze: posizioni reticolari non occupate da nessun atomo. Facilita processi di diffusione e formazione di leghe metalliche.
• Atomi interstiziali: atomi dello stesso elemento metallico o di un elemento diverso che non occupano una posizione reticolare normale. Determinano una distorsione strutturale e si trovano su siti interstiziali.
• Atomi estranei sostituzionali: atomi di un elemento estraneo che occupano posizioni reticolari.
• La presenza di questi difetti facilita enormemente i processi di diffusione che in assenza di tali difetti sarebbero impossibili, per lo meno a basse temperature.
• Difetti lineari (dislocazioni), sono difetti collocati lungo piani reticolari nei cristalli metallici, dovuti alla presenza di successioni di atomi in punti non coincidenti con esatte posizioni reticolari.
• Se non esistessero le dislocazioni per deformare il metallo sarebbe necessario ottenere lo scorrimento contemporaneo di tutto un piano di atomi del cristallo rispetto ad un altro piano adiacente. Ciò implicherebbe la rottura contemporanea di un grande numero di legami metallici, richiedendo uno sforzo estremamente elevato. Con le dislocazioni la deformazione avviene per lo scorrimento progressivo entro il cristallo, che comporta la rottura di un numero limitato di legami atomici e quindi necessita di uno sforzo minore e rende possibile la deformabilità dei materiali metallici. Le dislocazioni sono generate all’interno del materiale quando questo è soggetto ad una sollecitazione, generando deformazioni plastiche.
• Dislocazioni a spigolo.
• Dislocazioni a vite: costituite da atomi spostati dalle loro posizioni reticolari secondo una successione che segue il percorso di una vite. Le due dislocazioni sono comunque gli estremi di un fenomeno che comprende spesso situazioni intermedie.
• Aumentando il numero di dislocazioni presenti, sono necessari sforzi sempre maggiori per procedere nella deformazione. Questo fenomeno prende il nome di incrudimento del materiale, ed avviene in seguito a deformazione plastica a freddo.
• Deformazione elastica: sotto un certo valore dello sforzo (limite elastico) si ha una distorsione elastica del reticolo, gli atomi si spostano coordinatamente e tolta la sollecitazione il reticolo torna alla geometria iniziale.
• Deformazione plastica: per sollecitazioni superiori al limite elastico, il reticolo si deforma permanentemente e tolta la sollecitazione la parte elastica viene recuperata, ma il reticolo mantiene una deformazione permanente, deformazione plastica.
• Se si opera a temperatura più elevata si possono verificare fenomeni di ricristallizzazione o riassestamento della struttura del materiale metallico, con conseguente diminuzione del numero di dislocazioni prodotte.
• Difetti di superficie (bordi di grano), sono dovuti al fatto che il materiale è policristallino, cioè costituito da numerosissimi piccoli cristalli detti grani, in ognuno dei quali il reticolo cristallino ha un’orientazione diversa da quella adiacente.
• Ciò avviene perché durante la solidificazione di un metallo fuso iniziano a formarsi più o meno contemporaneamente vari nuclei di cristallizzazione casualmente orientati, che poi accrescono fino alla completa solidificazione del metallo.