Materiali per il design

Introduzione

Per scegliere il materiale di un tacco di scarpa si deve tenere conto di alcuni fattori, per cui non è una scelta assoluta ma derivata sia da parametri estetici e ergonomici (pulizia, effetto sulla camminata e sulla postura) ma soprattutto da proprietà fondamentali dipendenti da leggi fisiche, dall’uso che si deve fare del prodotto e dal messaggio da trasmettere, quindi dalla sua collocazione commerciale. Immaginando quindi i requisiti che può avere il tacco di una scarpa, deduco alcune proprietà:

• Non deve flettersi né schiacciarsi troppo (rigidità)
• Non si deve deformare in modo permanente (resistenza)
• Non si deve rompere se urtato (tenacità)
• Deve poter essere lavorato per ottenere la forma finale (duttilità)
• Deve avere adeguata resistenza alla corrosione e agli agenti atmosferici, compresi i raggi solari (durabilità)
• Resistere alla temperatura dell’asfalto (massima temperatura di esercizio)
• Deve pesare poco (densità)
• Deve avere un prezzo di vendita accettabile (costo)

A questo punto posso escludere alcuni tipi di materiali, come i materiali ceramici, che vanno incontro a rottura fragile, mentre ho altre macroclassi, i materiali polimerici, i materiali metallici e i materiali naturali (sughero, legno).

Classi di materiali

Le sopracitate classi di materiali si hanno in base alla struttura chimica e i legami che la compongono di ogni materiale, che ne determina le proprietà a livello macroscopico (legame struttura/proprietà). Gli atomi sono l’unità base dei materiali. Essi sono formati da un nucleo e da una nube di elettroni che lo circondano. Il nucleo è composto da protoni di carica positiva e da neutroni di carica nulla e di massa quasi uguale rispetto ai protoni. Ogni tipo di particella è in egual numero rispetto agli elettroni, di modo che l’atomo sia elettricamente neutro.

Il modello di Bohr, che prevede che gli elettroni si dispongano in orbite attorno al nucleo, è un modello abbastanza esaustivo per spiegare la formazione dei legami. L’atomo viene definito univocamente dal numero dei suoi elettroni, detto numero atomico. Esistono circa 118 elementi in natura e artificiali, racchiusi in ordine di numero atomico (per righe) e ordinati a seconda delle loro proprietà nella tavola periodica, che ne indica anche lo stato fisico in natura, se sono metalli o non metalli e la loro elettronegatività.

L’elettronegatività è la capacità di un atomo di “attirare” elettroni in presenza di un altro atomo e determina la tipologia di legame che esso formerà. In un atomo, gli elettroni si trovano in definiti livelli energetici, detti gusci atomici, che si trovano a specifiche distanze dal nucleo. Il primo guscio può contenere fino a due elettroni, detto duetto. I gusci più esterni possono contenere fino a 8 elettroni (ottetto) nella maggior parte dei casi di nostro interesse. Gli atomi i cui livelli energetici più esterni non sono completi partecipano ai legami chimici con altri atomi.

Gli atomi formano legami per raggiungere una stabilità energetica, cioè l’ottetto di elettroni nell’ultimo orbitale (per tutti gli elementi tranne idrogeno e elio, che raggiungono la stabilità con due elettroni) come i gas nobili. Per questo gli elettroni all’ultimo livello risentono della presenza di altri atomi vicini.

Ci sono alcune particelle in grado di attrarre in modo differente, gli ioni: i cationi hanno un elettrone in meno (carica positiva), gli anioni hanno un elettrone in più (carica negativa). Un catione è sempre più piccolo dell’atomo di cui è formato, un anione è sempre più grande dell’atomo da cui è formato.

Tipi di legami

I legami che gli atomi formano sono di quattro tipi:

• Legame covalente: degli atomi che non completano l’ottetto condividono una o più coppie (fino a tre) di elettroni, sovrapponendo gli orbitali degli elettroni condivisi. Si dice che il legame è puro se i due atomi hanno la stessa elettronegatività quindi la coppia elettronica è condivisa in modo simmetrico (Cl₂, H₂). Si dice invece che il legame è polare se gli atomi hanno elettronegatività differente; quindi, la coppia è condivisa in modo asimmetrico nella molecola, cioè gli elettroni sono spostati verso l’atomo più elettronegativo che li attira di più. Si forma cioè un dipolo, e la molecola ha un polo positivo (δ⁺) e un polo negativo (δ^-) (HCl, H₂O).
• Legame ionico: l’elettrone non viene condiviso ma l’atomo più elettronegativo lo “strappa” dall’altro. Si ha cioè una differenza di elettronegatività molto alta, di solito tra un metallo e un non metallo: diventano due ioni di segno opposto, per cui il legame che si forma è di natura elettrostatica, perché i due si attraggono (NaCl, si formano gli ioni e poi per interazione elettrostatica si cristallizzano in sale da cucina).
• Legame metallico: coinvolge solo elementi metallici, che hanno la tendenza a diventare cationi cedendo i loro elettroni di valenza, che possono migrare: questo perché gli ioni positivi si posizionano ordinatamente nello spazio mentre gli elettroni ceduti vengono messi in comune formando una nuvola elettronica molto mobile, che è responsabile delle proprietà macroscopiche di questi elementi; tra ioni e elettroni esiste un’attrazione reciproca: gli atomi metallici tendono a formare un unico orbitale di legame dove gli elettroni di legame non hanno più un atomo in particolare cui fare riferimento, ma si muovono da un atomo all'altro, creando un legame tra atomi diversi anche se solo per un piccolissima frazione di secondo.
• Legami deboli: sono interazioni che si instaurano tra molecole precostituite, ad esempio con molecole polari (che hanno due poli). Possono essere legami ad idrogeno (viene implicato un atomo di idrogeno con altri atomi molto più elettronegativi, come avviene tra le molecole d’acqua, che hanno un polo positivo e uno negativo), o forze di Van der Waals.

Classificazione dei solidi

Dai legami posso arrivare a classificare i loro solidi corrispondenti:

• Solidi metallici: gli atomi hanno legami forti, però avendo gli elettroni mobili possono anche scorrere gli uni sugli altri, rendendo possibile la lavorazione. Per la nube di elettroni mobili invece sono ottimi conduttori e presentano superfici lucide.
• Solidi covalenti: hanno legami molto forti che danno vita a solidi molto duri (quarzo, diamante, ceramici) e insolubili. Per rompere i legami è necessaria molta energia, per cui fondono ad alte temperature.
• Solidi ionici: hanno legami forti, ma essendo molto duri (gli ioni non possono scorrere, se scorrono i legami si rompono) sono anche fragili, resistono alle alte temperature, non conducono (a meno che non siano sciolti in acqua). Un esempio sono i sali.
• Solidi molecolari: hanno legami deboli, per cui fondono a basse temperature (legno, zucchero, polimeri).

Tipi di materiali

Da qui si possono classificare alcuni tipi di materiali, notando che le loro proprietà dipendono strettamente dalla loro microstruttura:

• Materiali metallici: i metalli puri sono gli elementi metallici che ci sono sulla tavola periodica che si legano tramite legame metallico. Le leghe metalliche invece contengono più di un elemento metallico (e non) e le loro proprietà possono essere cambiate con gli elementi e i rapporti relativi tra essi (vari tipi di acciai a seconda della percentuale di carbonio e della presenza di altre impurezze). Avendo elettroni mobili sono ottimi conduttori.
• Materiali ceramici: è un termine generico per materiali non metallici e inorganici. Vanno dal sale da cucina (metallo+non metallo), a una tazza di ceramica, al vetro delle fibre ottiche (vetro classe a parte), all’allumina (Al₂O₃) utilizzata in campo aerospaziale e biomedico. È una classe molto ampia, per cui non si ha un solo legame caratteristico, ma si hanno ceramici sia con legami covalenti che ionici. Hanno legami forti (soprattutto se sono solidi covalenti), quindi resistono alle alte temperature, alla corrosione, e avendo gli elettroni impegnati nei legami, sono isolanti elettrici e termici.
• Materiali polimerici: i polimeri sono costituiti da lunghe catene di atomi legati da legami covalenti, mentre il materiale in sé è tenuto insieme da legami deboli di tipo elettrostatico, che uniscono le catene in una sorta di groviglio: per cui c’è un’unità che si ripete, e tutte le unità sono tenute insieme in una catena più o meno complessa. Gli atomi nei polimeri sono C, O, N, F, H, Si, P, S, Cl, tutte con basso peso atomico e che, insieme al fatto che sono dei grovigli, fanno sì che questo tipo di materiali siano a bassa densità. Avendo legami intermolecolari deboli fondono a basse temperature.

Struttura dei materiali

Gli atomi che formano un materiale possono disporsi in modo più o meno ordinato. Possono inoltre presentare dei difetti che ne determinano poi le caratteristiche effettive.

Struttura cristallina

Caratteristica di metalli e ceramici, che presentano legami forti, questa struttura presenta atomi o molecole disposti in modo ordinato e ripetitivo. Comporta un’elevata risposta alle sollecitazioni. Il reticolo cristallino metallico è facilmente deformabile: questo è possibile grazie alla presenza di difetti, come le dislocazioni. Esse sono dei difetti di linea della struttura cristallina di un metallo, che permette ai vari piani della struttura di scorrere, e si traduce nella realtà nella possibilità di lavorare per deformazione plastica tali materiali.

Un difetto di linea come la dislocazione è la presenza di un semipiano di atomi in più nella struttura cristallina: la presenza di questo difetto fa sì che se si applica una sollecitazione al materiale, esso si deforma in modo permanente e non elastico (cioè non si ripristina lo stato iniziale). Le dislocazioni si formano durante la solidificazione del materiale e si possono annullare in parte sempre tramite trattamento termico.

Oltre ai difetti di linea esistono anche difetti di punto: la vacanza è dovuto alla mancanza di un atomo nel reticolo; un difetto sostituzionale è invece un atomo di un’altra specie chimica al posto dell’atomo della specie corretta; il difetto interstiziale è invece un atomo che occupa uno spazio che dovrebbe essere vuoto tra gli atomi del reticolo: può essere auto interstiziale se è della specie di tutti gli altri atomi oppure un’impurezza se non è un atomo dello stesso elemento.

Il reticolo di un materiale ceramico invece, presentando legami di diverso tipo, non permette la deformazione plastica: una volta stabilizzata la forma tramite trattamento termico non è più possibile alterarla.

Struttura amorfa

Caratteristica nei vetri e nei polimeri, la struttura amorfa presenta atomi o molecole disposte in modo disordinato, questo perché i legami interni alle molecole sono forti, ma quelli intermolecolari (cioè tra le molecole) sono deboli, hanno quindi caratteristiche meccaniche inferiori rispetto ai solidi metallici e ceramici. Nei polimeri la struttura è in parte amorfa e in parte ordinata, per cui si avranno caratteristiche disomogenee a seconda della zona che si prende in considerazione: le zone cristalline hanno temperatura di fusione maggiore rispetto a quella delle zone amorfe, per esempio. I polimeri non sono mai cristallini (solo struttura amorfa/semicristallina).

Considerazioni sul comportamento meccanico

Per scegliere un materiale e la forma da dare a un determinato prodotto, oltre alle caratteristiche estetiche ed ergonomiche, si deve tener conto di proprietà più importanti, che si deducono a partire dalle forze che agiscono sul mio oggetto: devo capire come viene sollecitato per dimensionarlo e scegliere il materiale che risponda a determinati usi. Bisogna seguire un determinato percorso, partendo da dei valori noti (forze agenti; forma e dimensioni di un oggetto date da massa e volume) da cui calcolo determinate grandezze (sforzi agenti; deformazioni conseguenti allo sforzo) che aiutano a dedurre e a valutare le proprietà del materiale da scegliere (resistenza (σ_n,σ_s) sufficiente perché l'oggetto non si rompa, rigidità (E) sufficiente perché l'oggetto non si deformi più del voluto quando sollecitato dal carico esterno).

Massa e forza

Massa: è una grandezza fisica fondamentale che determina il comportamento dinamico di un corpo soggetto all’applicazione di forze esterne. La sua unità di misura è il kg (S.I: massa di un dm³ di acqua distillata a 4°C). Dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche degli atomi che compongono il corpo, quindi è una proprietà del corpo e non dipende dall’attrazione di gravità.

Forza: è una grandezza di tipo vettoriale, e corrisponde al prodotto di una massa per un’accelerazione. L’esempio più immediato è la forza peso, che è la forza di attrazione che la terra esercita su un corpo dotato di massa: l’accelerazione sulla terra è di 9,81 m/s². A parità di accelerazione di gravità, la massa è proporzionale alla forza esercitata. La sua unità di misura è il newton (N): nel S.I. una forza di modulo 1 N è quella che applicata a una massa di 1 kg determina un’accelerazione di 1 m/s². Il newton è una grandezza derivata. La forza è una grandezza vettoriale, cioè è definita da un modulo (grandezza del vettore), una direzione (retta su cui giace) e un verso (senso di percorrenza della retta su cui giace). Si possono eseguire operazioni di somma, differenza e prodotto. La risultante è calcolabile se le forze sono sullo stesso piano (vanno scomposte in componenti ortogonali) e sono parallele.

Proprietà fondamentali

• Generali: Chimico-fisiche:
  • Densità
  • Costo
• Meccaniche:
  • Rigidità
  • Resistenza
• Ottiche:
  • Tenacità
  • Duttilità

Proprietà generali

Densità: è il rapporto tra massa e unità di volume (ρ=m/V). Si misura in kg/m³. È una proprietà che dipende dalla massa atomica dell’elemento che compone il materiale e dalla sua struttura (ad esempio una struttura cristallina ha densità generalmente più alta di una struttura amorfa). I metalli hanno elevata densità sia per i loro numeri atomici molto alti che per la loro struttura cristallina ordinata e compatta. I materiali polimerici hanno bassa densità sia perché formati da non metalli con numero atomico basso, sia per le loro strutture a bassa compattazione atomica. I ceramici hanno densità variabile per via delle loro strutture che possono essere sia cristalline che amorfe, anche perché è una categoria che comprende materiali diversi tra loro (calcestruzzo, vetro, terracotta, porcellana, allumina, diamante). Possono essere inoltre dei materiali porosi per via delle lavorazioni che subiscono, che ne abbassano la densità.

Costo: non è definibile a rigore una proprietà, anche se è un fattore fondamentale da tenere in considerazione, variabile a seconda della reperibilità e della lavorazione del materiale. Ad esempio i materiali da costruzione hanno una produzione molto elevata e quindi un costo inferiore rispetto al titano, meno reperibile e lavorabile. C’è quindi una correlazione tra il volume di produzione e il costo. È misurabile come costo in peso, cioè come prezzo per unità di massa = prezzo/massa =(€/kg) Oppure in termine di volume = prezzo/volume = (€/dm³). Conversione: costo in volume = densità x costo in peso [€³]= ·3

Proprietà meccaniche

Per caratterizzare il comportamento meccanico di un materiale è necessaria una curva sforzo-deformazione, caratteristica della risposta di un materiale a una prova di trazione. In una prova di trazione si sottopone un provino di dimensioni conosciute ad una certa forza. A partire da queste informazioni ricavo sforzo (σ)e deformazione(), caratteristiche proprie al materiale e indipendenti dalle sue dimensioni e dalla sua forma. σ = = [ ]2 0− 0 = = [] 0

In funzione del materiale si hanno due andamenti differenti:

Comportamento elastico: la curva ha un andamento lineare: con l’aumentare del carico cresce fino ad arrivare a rottura. Se prima di arrivare al carico di rottura rimuovo il carico il materiale torna allo stato e alle dimensioni iniziali. Segue cioè la legge di Hooke, in cui sforzo e deformazione sono proporzionali: = Dove E [GPa] è il modulo di Young o di elasticità, proprio al materiale, che ne indica la rigidezza (più è alto più i carichi a cui resiste sono alti) e nella curva rappresenta la pendenza .Un materiale elastico si rompe in...