Appunti Tecnologie dei materiali

Tecnologie dei materiali

Materiali

Un materiale è un aggregato di atomi o molecole, avente specifiche proprietà chimiche, fisiche e meccaniche, e utilizzato per la realizzazione di oggetti. Ho bisogno di un biomateriale che stia a contatto con il corpo umano.

Nelle zone in cui non è in contatto con il corpo umano posso anche non utilizzare biomateriali, composto da acciai o altri materiali.

Biomateriali che possono entrare in contatto con il corpo umano

I materiali introdotti nel corpo umano devono avere determinati requisiti.

Biomateriale: sostanza sistematicamente e farmacologicamente inerte (quindi non agisce come farmaco), progettata per l’impianto in sistemi viventi. Più precisamente è un materiale destinato a interfacciarsi con sistemi biologici come parte integrante di un processo finalizzato a valutare, monitorare e trattare i tessuti del corpo, sostituire o aumentare tessuti o a facilitare la rigenerazione dei tessuti.

Biocompatibilità: (requisito del biomateriale) capacità di un biomateriale di svolgere la sua funzione desiderata rispetto a una terapia medica, senza suscitare effetti locali (es. rush cutanei) o sistemici (es. allergie) indesiderati nel ricevente o beneficiario di tale terapia, ma generando la risposta cellulare o tessutale benefica più appropriata in quella specifica situazione, e ottimizzando le prestazioni clinicamente rilevanti di tale terapia.

Il contatto del biomateriale con l’organismo dà luogo a un’interazione tra i due i cui effetti possono verificarsi sia sul materiale (es. corrosione) sia sull’organismo stesso (es. morte della cellula).

Classificazione dei biomateriali

• Biotossico: il tessuto a contatto con il materiale perde vitalità e muore.
• Bioinerte: l’organismo forma un tessuto proteico fibroso (sacca proteica) di spessore variabile attorno al materiale (rimane separato dal corpo).
• Bioattivo: si ha la formazione di un’interfaccia con connessioni testuali tra materiale e tessuto biologico (facilita l’interazione con il tessuto biologico).
• Biodegradabile: l’organismo è in grado di degradare il materiale, i cui prodotti devono essere non tossici e di sostituire gradualmente il materiale (es. punti riassorbibili).

Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza dei materiali: conoscenza di base dei materiali: struttura e proprietà. Quindi è l’insieme di materiali e caratteristiche.

Tecnologia dei materiali: conoscenza applicata dei materiali per la loro conversione in prodotti (ad esempio sulla base della correlazione struttura-proprietà di un materiale è possibile progettare la sua struttura per avere proprietà desiderate). Può richiedere nuovi materiali dalla scienza.

Proprietà dei materiali

Si osservano delle protesi funzionali, cioè protesi ad alto livello di prestazione. Osservo che strutture diverse danno luogo a proprietà diverse, e che materiali diversi danno luogo a prestazioni diverse. Gli atomi più leggeri sono il carbonio e l’idrogeno.

Esempi di materiali

• Acciaio
• Alluminio
• Ossido di alluminio
• Polietilene
• Vantablack (Surrey NanoSystems): assorbe il 99.965% della luce visibile. È un foglio di alluminio parzialmente rivestito di Vantablack.

Dal progetto al prodotto

1. Progetto: necessità di immettere sul mercato l’oggetto da progettare, requisiti, utilizzatori, costo finale, forma e dimensioni.
2. Scelta dei materiali: possono esistere più materiali disponibili per un dato prodotto, che non sono equivalenti tra di loro. La scelta può dipendere dai requisiti del prodotto, quindi dalle caratteristiche del materiale, dalla forma e dimensioni, dalle tecnologie di produzione e dal costo finale del prodotto.
3. Tecnologie di lavorazione: operazioni primarie e secondarie per produrre il pezzo finito, ed eventuale assemblaggio. Possono esistere più tecnologie disponibili e la scelta può dipendere dal materiale, dalla forma, dalle dimensioni e dal costo finale del prodotto.

Se non esistono i materiali o le tecnologie di lavorazione adatti, il prodotto non può essere realizzato!

Analisi del prodotto da realizzare

• Requisiti: forma dell’oggetto e proprietà dei materiali. Le sue caratteristiche dipendono dalla forma, da come l’oggetto è stato progettato e dal materiale utilizzato. Per esempio, in base al tipo di coltello che abbiamo e al tipo di materiale utilizzato, questo può essere più adatto per tagliare il pane o la carne.
• Resistenza alle sollecitazioni: uso proprio, per cui l’oggetto è destinato e improprio, per esempio nel momento in cui una sedia cade e si rompe. Una sedia non è fatta per cadere ma non dovrebbero rompersi.
• Durabilità: (materiali costituenti).
• Prevedibile vita: relativa all’evoluzione tecnologica e a quanto durano i materiali.
• Possibilità di riutilizzo: riuso del prodotto, riciclo del materiale e/o smaltimento.

Materiali metallici

Costituiti da atomi metallici con possibile aggiunta di atomi non metallici (materiale inorganico).

• Proprietà: duttilità (attitudine a deformarsi plasticamente), buona resistenza meccanica, buona rigidezza e buoni conduttori elettrici e termici.

Tecnologie di lavorazione:

• Deformazione plastica, per la duttilità.
• Fonderia.
• Metallurgia delle polveri.

Materiali ceramici

Costituiti da atomi metallici e non metallici (materiale inorganico).

• Proprietà: elevata durezza, fragilità, elevata rigidezza, isolanti elettrici e termici e resistenti ad alta temperatura.

Tecnologie di lavorazione:

• Formatura di polveri (ceramici tradizionali e avanzati) con successiva cottura.
• Da fusione o rammollimento (vetro).

Materiali polimerici

Costituiti da atomi non metallici (materiale organico).

• Proprietà: bassa densità, resistenza meccanica bassa, bassa rigidezza, isolanti elettrici e termici, duttilità, fragilità e influenza della temperatura.

Tecnologie di lavorazione:

• Riscaldamento, formatura e raffreddamento (termoplastici).
• Riscaldamento, formatura e reazione chimica (termoindurenti).

Proprietà di interesse nella scelta di un materiale

• Proprietà meccaniche: modulo di elasticità, resistenza allo snervamento e alla trazione, tenacità alla frattura, resistenza a fatica, resistenza allo scorrimento viscoso e resistenza alla fatica termica.
• Proprietà fisiche: densità, proprietà termiche, proprietà elettriche, proprietà magnetiche e proprietà ottiche.
• Proprietà di superficie: resistenza alla corrosione, resistenza all’ossidazione, resistenza all’usura e rugosità.
• Proprietà tecnologiche: deformabilità a caldo e a freddo, lavorabilità alle macchine utensili, colabilità e saldabilità.

Materiale buon conduttore di calore: lega metallica. Acciaio inossidabile e alluminio conducono calore.

Conduttività elettrica: capacità di un materiale di condurre calore. Spesso le pentole in acciaio hanno il fondo in alluminio.

Le proprietà derivano da come sono fatti i materiali e come si presenta la struttura a livello microscopico.

La forma segue il materiale

Il materiale resiste bene a compressione (debole a trazione e flessione). Il materiale resiste bene a trazione (debole a compressione e flessione). Il materiale resiste bene a flessione.

Analisi del prodotto da realizzare

È necessario che il prodotto abbia delle caratteristiche importanti:

• Rigidezza, poiché deve sostenere chi cammina.
• Resistenza, non deve rompersi.
• Densità, deve essere leggero.
• Proprietà termiche, non deve dare una sensazione sgradevole (sensazione di calore).
• Durabilità, deve resistere nel tempo.
• Costo, dipende dai materiali e le tecnologie di lavorazione utilizzate.

Possono esistere più materiali adatti per determinate applicazioni, però il singolo materiale si porta dietro una serie di altre proprietà che possono condizionare il comportamento dell’oggetto che andiamo a progettare.

Se per esempio voglio contenere un liquido posso avere una lattina o un bicchiere, oggetti che hanno lo stesso scopo, ma sono fatti di materiale diverso. Infatti, se cascano, la lattina può ammaccarsi ma continuerà a contenere il liquido, mentre il bicchiere si romperà andando a disperdere il liquido.

Le proprietà dell’oggetto dipendono in parte da come è stato progettato (quindi dalla sua forma) e in parte dal materiale con cui è stato realizzato.

Struttura atomica

Un qualsiasi materiale ha proprietà che dipendono da com’è fatto (composizione chimica) e dalla struttura del materiale. Entrambi questi aspetti vanno a condizionare le proprietà del materiale stesso.

Se andiamo a vedere il comportamento macroscopico dell’oggetto ci rendiamo conto che una parte delle proprietà dipende dalla forma dell’oggetto stesso, una parte da com’è fatto l’oggetto al suo interno (microstruttura) e una parte dalla struttura del materiale a livello atomico (es. densità, modulo elastico).

Gli elettroni sono disposti su orbitali elettronici, regioni dello spazio in cui vi è un’alta probabilità di trovare l’elettrone, che hanno diversa simmetria (aspetto che si ritroverà poi nel legame chimico). Inoltre, possono avere solo specifici valori dell’energia, le energie degli elettroni sono quantizzate.

Gli elettroni che occupano gli orbitali più esterni sono gli elettroni di valenza. A seconda del numero di protoni e quindi del numero di elettroni si compone la tavola periodica degli elementi.

Legame chimico

Gli atomi tendono a formare dei legami chimici. Molte delle proprietà dei materiali dipendono dalle forze che si instaurano tra gli atomi (forze interatomiche). Quando si forma un legame chimico l’energia che si viene a creare è più bassa di quella degli atomi separati.

Gli aggregati che si formano hanno proprietà chimiche caratteristiche differenti da quelle degli atomi costituenti. Infatti, se abbiamo la lattina e il bicchiere, il loro comportamento quando cascano dipende dalle forze interatomiche che si vengono a creare durante la formazione del legame (il bicchiere di vetro è fragile e quindi si rompe, mentre la lattina è duttile, quindi si ammacca e basta).

Interazione tra due atomi isolati

Quando ho due atomi e li avvicino tra loro si possono instaurare forze attrattive e forze repulsive (la forza totale è data dalla somma di queste due forze). Esiste un valore della distanza per cui la somma delle forze si annulla, in cui la forza attrattiva bilancia quella repulsiva. Questa è la condizione per cui si crea un legame tra gli atomi (situazione di equilibrio). Se ragiono in termini di energia, ottengo un grafico dell’energia in funzione della distanza che, per il valore di equilibrio, ho in corrispondenza il minimo della curva del potenziale (condizione di equilibrio stabile). Gli atomi tenderanno a ritornare in questa condizione di equilibrio. Questo valore di energia è chiamato energia di legame, energia che deve essere fornita per separare i due atomi e portarli a una distanza infinita. Quindi per separare gli atomi ho bisogno di una certa energia per separarli.

Quando due atomi formano un legame ho un fenomeno di liberazione di energia. L’energia di legame e la forma della curva E=E(r) dipendono dal tipo di legame. Gli atomi tendono a oscillare intorno alle posizioni di equilibrio e a seconda delle condizioni in cui mi trovo queste vibrazioni potranno essere maggiori (maggiore temperatura, maggiore vibrazione).

Relazioni tra proprietà macroscopiche e legame atomico

Modulo elastico: quando sollecitiamo un oggetto vediamo che questa sollecitazione si trasmette agli atomi, infatti stiamo cercando di allontanare gli atomi, e questi si allontanano in base alla forza del legame interatomico (si parla di misura della resistenza alla separazione di atomi adiacenti, la quale dipende dalla forza del legame interatomico).

Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della temperatura. Se aumento la temperatura, allora aumenta la distanza media tra gli atomi, la quale dipende dalla distanza media interatomica.

Temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido. Infatti è l’energia che è necessario fornire (sotto forma di calore) per rompere i legami (energia di legame).

Classificazione dei legami

• Legami forti o primari: ionico, covalente, metallico.
• Legami deboli o secondari: van der Waals (dipolare), idrogeno.

Legame ionico

Il legame ionico si instaura tra atomi con bassa energia di ionizzazione, che tendono a cedere elettroni agli atomi con alta affinità elettronica (es. metalli alcalini) e atomi con alta affinità elettronica, che tendono a catturare elettroni (es. alogeni). Questo comporta che gli elettroni vengono ceduti da un atomo all’altro e si ha la formazione di ioni (positivi, nel caso di atomi metallici, che cedono, e negativi, nel caso di atomi che prendono). È un legame di tipo elettrostatico: ciascuno ione è legato a tutti gli ioni di segno opposto da forze coulombiane (non ci sono elettroni liberi). Il singolo ione ha una forza di attrazione verso tutti gli ioni di segno opposto, avrà anche una forza repulsiva verso tutti gli ioni dello stesso segno. Il legame si basa sull’equilibrio tra ioni che si attraggono e che si respingono, questo condiziona la disposizione degli ioni nello spazio.

A parità di dimensione degli ioni negativi, a seconda della dimensione dello ione positivo, posso avere situazioni di stabilità o di instabilità. Avere diversa geometria condiziona quanti atomi occupano un certo volume ossia condiziona la densità del materiale.

Proprietà meccaniche dei solidi ionici

Se vado a deformare il materiale ionico sposto piani di elettroni: se sposto lungo la linea rossa ho che ioni dello stesso segno vengono a contatto e quindi il risultato macroscopico sarà che il materiale si rompe. Se invece sposto lungo la linea blu faccio scorrere piani in cui ioni di segno diverso sono sempre a contatto e quindi riesco a mantenere sempre il legame. In certe direzioni si conclude che il materiale è deformabile e in altre no.

Legame covalente

Si instaura tra atomi che hanno valori circa uguali di affinità elettronica e potenziale di ionizzazione, ossia hanno la stessa tendenza a cedere e prendere elettroni. Gli elettroni di valenza tendono ad essere condivisi tra i nuclei e si dispongono su orbitali molecolari comuni ai due atomi, infatti non si ha formazione di ioni (trasferimento permanente di carica) e non ci sono elettroni liberi. Gli orbitali possono avere una forma simmetrica (orbitali s), oppure possono essere maggiormente orientati verso un atomo (orbitali p).

Perché due orbitali atomici possano combinarsi occorre che abbiano:

• Energie dello stesso ordine.
• Massima sovrapposizione.
• Stesse caratteristiche di simmetria.

Il legame covalente è un legame direzionale: questo implica che, se il legame si rompe, è difficile farlo ricreare; implica, inoltre, che gli atomi siano disposti in determinate geometrie e questo condiziona la densità del materiale. Gli atomi del carbonio formano orbitali ibridi, cioè orbitali che hanno una forma intermedia tra gli orbitali s e gli orbitali p. Il carbonio può coinvolgere nei vari legami un numero variabile di elettroni: possono avere due orbitali sp, ossia ho un elettrone che si lega nell’orbitale le ibrido sp e gli altri due formano legami; posso avere tre orbitali di tipo sp² oppure 4 orbitali sp³ che sono disposti come i vertici di un tetraedro. A seconda del tipo di ibridazione degli orbitali che si realizza ottengo materiali che si comportano in maniera diversa.

Legame metallico

Gli atomi sono così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi vicini. Gli elettroni di valenza sono debolmente legati agli ioni positivi e possono muoversi liberamente e facilmente all’interno del cristallo. Il legame non è direzionale, infatti gli ioni possono scorrere l’uno sull’altro senza distruggere completamente e permanentemente il legame (alta deformabilità), inoltre, la presenza di elettroni liberi porta ad un’alta conducibilità elettrica e termica. Gli atomi hanno un’elevata massa, lo spazio libero è poco, per questo motivo i materiali hanno un’alta densità.

Legame di Van der Waals (o dipolare)

Gli atomi sono globalmente neutri (stesso numero di protoni ed elettroni) e normalmente hanno una distribuzione simmetrica delle cariche elettriche. In particolari circostanze è possibile che la distribuzione spaziale delle cariche positive e negative diventi asimmetrica, portando alla formazione di un dipolo.

Il legame di van der Waals intercorre tra atomi o molecole che hanno carattere dipolare: i dipoli elettrici interagiscono tra loro attraverso forze di tipo elettrostatico. L’energia di legame è relativamente debole (10kJ/mole). I batteri possono aderire alla superficie dei biomateriali attraverso forze di van der Waals.

Legame idrogeno

Un atomo di idrogeno, presente in un legame covalente (es. O-H, N-H, F-H), causa una distribuzione asimmetrica permanente di carica. L’a