Appunti tecnologia dei materiali e chimica applicata

Tecnologia dei materiali e chimica applicata

Fin dall'antichità i materiali hanno avuto una grande influenza sulle popolazioni. Infatti le antiche civiltà sono state denominate in base al livello di sviluppo dei materiali; ad esempio Età della pietra (Paleo/Neo - litico), Età del rame (Calcolitico), Età del bronzo e Età del ferro. Nell'età più remota gli umani avevano accesso solo a un numero molto limitato di materiali. Con il tempo furono scoperte tecniche per produrre materiali con proprietà superiori a quelli naturali. Tra questi i più importanti sono i metalli e le ceramiche. Fu così scoperto che le proprietà dei materiali potevano essere modificate con trattamenti termici o con l'aggiunta di altre sostanze.

Leghe importanti

Le tre leghe più importanti scoperte dall'uomo sono state il bronzo, il ferro e lo stagno. Quest'ultimo rappresenta un semi metallo che presenta due forme allotropiche: sopra i 13,2°C è stabile la forma (stagno bianco con struttura metallica), sotto i 13,2°C è stabile la β forma (stagno grigio con struttura cubica simile al silicio).

Scienza e ingegneria dei materiali

Quando si parla di "scienza dei materiali" si intende quella disciplina che studia le relazioni che esistono fra la struttura e le proprietà dei materiali. Per "ingegneria dei materiali" si intende la progettazione o ingegnerizzazione della struttura di un materiale sulla base delle correlazioni tra struttura e proprietà.

Definizioni basilari

• Materiale: sono in generale sostanze fisiche solide utilizzate nella produzione di oggetti.
• Struttura: rappresenta la disposizione dei componenti interni di un materiale, ovvero il modo in cui le unità sono legate tra di loro.
• Proprietà: comportamento del materiale se sottoposto a sollecitazioni meccaniche, fisiche o chimiche. Le proprietà si suddividono in sei categorie: meccaniche, termiche, elettriche, magnetiche, ottiche e di deterioramento.

Inoltre le proprietà di un materiale dipendono dalla struttura che presenta il materiale. In particolare esistono tre livelli di struttura che influenzano le proprietà dei materiali. Esse sono:

• Macrostruttura: struttura evidente ad occhio nudo, o al massimo con una lente di ingrandimento.
• Microstruttura: livello di struttura individuabile solo attraverso l'indagine microscopica. Essa rappresenta l'organizzazione di gruppi estesi di atomi.
• Struttura atomica: disposizione spaziale degli atomi o delle molecole che compongono il materiale.

I materiali possono essere classificati in base ai loro costituenti o in base alle loro funzioni. Nel primo caso abbiamo: metalli, materiali polimerici, materiali ceramici e materiali compositi. Nel secondo caso abbiamo: materiali strutturali, materiali aerospaziali, materiali ottici, materiali magnetici, materiali biomedici, materiali energetici, materiali intelligenti.

Oltre alla struttura e alle proprietà di un materiale per la scienza dei materiali sono fondamentali anche il processo di lavorazione e le prestazioni. La relazione che lega struttura, proprietà, processo di lavorazione e prestazioni è la catena lavorazione-struttura-proprietà-prestazioni. Ciò poiché il processo di lavorazione determina una specifica struttura del materiale che a sua volta è caratterizzata da specifiche proprietà che conferiscono prestazioni diverse.

Proprietà dei materiali

Comportamento del materiale se sottoposto a sollecitazioni meccaniche, fisiche o chimiche. Le proprietà si suddividono in sei classi: meccaniche, termiche, elettriche, magnetiche, ottiche e di deterioramento.

Proprietà meccaniche

Mettono in relazione la deformazione con il carico e lo sforzo applicato che la determinano.

Proprietà elettriche

Comportamento del materiale stimolato da un campo elettrico.

Proprietà termiche

Descrivono il comportamento termico del materiale attraverso la capacità termica e la conducibilità termica.

Proprietà magnetiche

Mostrano la risposta di un materiale a un campo magnetico applicato su esso.

Proprietà ottiche

Mostrano in comportamento di un materiale sottoposto a uno stimolo elettromagnetico o sottoposto a una radiazione luminosa.

Proprietà di deterioramento

Indicano la reattività chimica di un materiale.

I materiali vengono scelti in base a tre criteri:

• Condizioni in servizio che dettano le proprietà richieste dal materiale.
• Decadimento delle proprietà del materiale durante il servizio.
• Questione economica.

Classificazione dei materiali

I materiali sono suddivisi per comodità in tre classi principali: metalli, ceramici e polimerici. Tale suddivisione si basa sulla composizione chimica e sulla struttura atomica. Esistono poi i materiali compositi, ottenuti dalla composizione di due o più materiali diversi appartenenti alle tre classi principali. Un'altra classe fondamentale è rappresentata dai materiali avanzati utilizzati nelle applicazioni di alta tecnologia (semiconduttori, biomateriali, materiali intelligenti e nanomateriali).

Metalli

Metalli sono composti da uno o più elementi metallici e spesso anche da elementi non metallici in quantità relativamente piccole. Gli atomi nei metalli e nelle loro leghe si dispongono in modo molto ordinato e presentano un'alta densità. Sono materiali piuttosto rigidi e resistenti, ma anche duttili e resistenti alle fratture (proprietà meccaniche). Presentano un alto numero di elettroni delocalizzati. Inoltre sono ottimi conduttori elettrici e termici, non sono trasparenti alla luce del sole e la loro superficie, se levigata, assume un aspetto lucente. Alcuni metalli presentano anche proprietà magnetiche.

Ceramici

Ceramici sono materiali formati da elementi metallici e non metallici. Sono per la maggior parte costituiti da ossidi, nitruri e carburi. I più comuni elementi ceramici sono l'ossido di alluminio, il biossido di silicio e il nitruro di silicio. Questi vengono detti materiali ceramici tradizionali, ottenuti dalla cottura di minerali argillosi (vetro e cemento). Sono materiali relativamente rigidi e resistenti, sono inoltre molto duri, ma estremamente fragili (proprietà meccaniche). Sono buoni isolanti termici ed elettrici e presentano un'alta resistenza alle alte temperature. Possono essere trasparenti, traslucidi o opachi (proprietà ottiche). In pochi presentano proprietà magnetiche.

Polimeri

Polimeri sono materiali plastici e le gomme. Molti sono composti organici, basati chimicamente sul carbonio, idrogeno e altri elementi non metallici. Sono caratterizzati da strutture molecolari molto estese configurate in catene con struttura portante formata da atomi di carbonio. Presentano una bassa densità, una bassa rigidità e bassa resistenza. Sono però estremamente duttili e flessibili, ovvero possono assumere con facilità forme complesse. Sono relativamente inerti chimicamente e non reattivi. Si decompongono a temperature non elevate e presentano bassa conducibilità elettrica e sono a-magnetici.

Compositi

Compositi sono materiali ottenuti combinando due o più materiali metallici, ceramici e polimerici. Vengono creati per ottenere combinazioni di proprietà che non sono possedute da nessun particolare materiale e per combinare le proprietà migliori di materiali diversi.

Materiali avanzati

I materiali che vengono utilizzati nelle applicazioni di alta tecnologia sono talvolta denominati materiali avanzati. Essi sono in genere formati sia da materiali tradizionali, le cui proprietà sono state migliorate, sia da materiali nuovi ad elevate prestazioni. Sono considerati materiali avanzati i semiconduttori, le cui proprietà elettriche sono intermedie fra i conduttori elettrici e i materiali isolanti. Tale proprietà è influenzata da piccolissime quantità di atomi di impurezze la cui concentrazione può essere controllata su regioni spaziali molto piccole.

Biomateriali

Altra classe di materiali avanzati sono i biomateriali. Essi sono utilizzati per impianti da inserire nel corpo umano. Tali materiali non devono produrre sostanze tossiche e devono essere compatibili con i tessuti del corpo umano.

Materiali intelligenti

Altra classe è rappresentata dai materiali intelligenti. Tali materiali sono in grado di percepire variazioni dell'ambiente in cui si trovano ad operare e di reagire apportando opportune variazioni. Un materiale intelligente è sempre costituito da un sensore e da un attuatore. Come attuatori vengono utilizzabili leghe a memoria di forma, ceramici e materiali magnetici. Mentre come sensori vengono utilizzati fibre ottiche e molti altri.

Nanomateriali

Infine sono considerati materiali avanzati anche i nanomateriali, i quali materiali sono costituiti da qualunque delle quattro tipologie di materiali. Sono materiali dalle dimensioni dell'ordine dei nanometri (10^-9 m).

Struttura atomica, legami interatomici, solidi cristallini e imperfezioni

Le importanti proprietà dei materiali solidi dipendono dalla geometria della configurazione atomica interna e anche dalle interazioni che si formano tra i loro costituenti, ovvero atomi e molecole. Introduciamo così alcuni concetti fondamentali. Ogni atomo è costituito da un nucleo molto piccolo contenente protoni e neutroni, il quale è circondato da elettroni in continuo movimento. Il numero dei protoni presenti in ciascun atomo è detto numero atomico (Z), mentre con massa atomica si intende la somma dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo. Il peso atomico di un elemento corrisponde alla media pesata delle masse atomiche degli isotopi degli atomi presenti in natura.

Modelli atomici

Adesso passiamo ad esaminare i vari modelli atomici. Innanzitutto si deve parlare di modelli in quanto si tratta di "ricostruzioni" ipotizzate per dare una spiegazione a fenomeni fisici osservati. In realtà quasi mai i modelli risultano "definitivi", ma piuttosto sono soggetti a revisioni successive ed affinamenti continui. Inoltre, come già detto, la reattività degli elementi chimici, ovvero le possibilità di formare legami con altri elementi chimici è strettamente legata alle proprietà degli elettroni di valenza. Il primo modello atomico ben costruito è il modello di Bohr, il quale costituisce una rappresentazione capace di descrivere la configurazione elettronica degli atomi, sia in termini di posizione che in termini di energia.

Tavola periodica degli elementi

Tutti gli elementi sono stati classificati e inseriti nella tavola periodica. In essa gli elementi sono collocati al crescere del numero atomico nelle righe orizzontali dette periodi. Tale sistemazione permette di avere su una stessa colonna tutti gli elementi che hanno la struttura degli elettroni di valenza simile, nonché simili proprietà chimiche e fisiche. Importante è anche la separazione tra gli elementi metallici a sinistra e gli eventi non metallici a destra. Infatti gli elementi metallici sono detti anche elementi elettropositivi, poiché tendono molto facilmente a cedere un elettrone di valenza ed a formare uno ione positivo. In contrapposizione con i metalli, gli elementi non metallici situati a sinistra della tavola periodica sono detti elementi elettronegativi, poiché presentano un comportamento opposto rispetto agli elettropositivi.

Legami interatomici primari

Fra due atomi si instaura un legame chimico quando tra essi esiste un'interazione così forte da permettere di considerare l'insieme dei due atomi come un'entità a se stante. Quando due atomi si avvicinano entrano in gioco diversi tipi di forze che danno contributi:

• Repulsivi (elettroni-elettroni) e (nucleo-nucleo)
• Attrattivi (nuclei-elettroni)

(La curva di Morse definisce il livello energetico di un sistema in base alla distanza tra gli elettroni. Il legame si forma quando l'energia potenziale raggiunge i minimi valori.) Nei solidi vi sono tre tipi di legame primario: legame ionico, legame covalente e il legame metallico.

Legame covalente

Si forma grazie alla condivisione di alcuni elettroni tra due o più atomi adiacenti. Nel momento in cui due atomi si avvicinano e formano un legame covalente si verifica un accumulo di densità elettronica tra i due nuclei. Ne segue un abbassamento di energia potenziale il quale viene controbilanciato dall'aumento di energia derivante dalla repulsione che si genera tra i due nuclei. Possiamo dire che il legame covalente è un legame direzionale, ovvero è presente solo tra particolari atomi e può esistere solo nella direzione congiungente essi. Il numero massimo di legami covalenti consentiti per ciascun atomo dipende dal numero di elettroni di valenza che esso presenta. Infine si può dire che la sovrapposizione è tanto più grande quanto più simili sono le energie potenziali dei due orbitali atomici (atomi con valori di elettronegatività uguali o simili). Se l'elettronegatività degli elementi tra i quali si forma il legame (covalente) non è uguale si ha che il legame risulta comunque polarizzato. Ciò significa che la distribuzione statistica degli elettroni non è omogenea ed uguale tra gli atomi ma c'è un eccesso (statistico) di elettroni nelle vicinanze dell'atomo più elettronegativo.

Legame ionico

Tale legame si forma tra atomi che presentano una differenza di elettronegatività molto alta, ovvero si forma tra un elemento metallico e un elemento non metallico. Ciò poiché, come sappiamo bene, l'atomo dell'elemento metallico tende a prendere uno o più elettroni i quali verranno attratti dall'atomo dell'elemento non metallico. Questo porta ad avere elettroni di valenza quasi completamente localizzati sull'atomo più elettronegativo. Il legame che si instaura tra i due ioni è puramente elettrostatico, pertanto è adirezionale. I composti ionici non prevedono molecole, ma formano cristalli costituiti da ioni di carica opposta, disposti in una struttura regolare, detta reticolo cristallino. La stabilità del composto è misurabile in termini di energia reticolare (energia potenziale di tipo elettrostatico degli ioni nel cristallo oppure energia liberata nella formazione del cristallo partendo da una mole di ioni allo stato gassoso). I composti ionici sono isolanti elettrici allo stato solido, conduttori allo stato fuso, solubili (in genere) in solventi, polari, altofondenti e altobollenti e infine anche fragili.

Legame metallico

I materiali metallici possiedono al massimo tre elettroni di valenza, i quali secondo il modello a mare di elettroni non sono legati a nessun atomo e sono quindi più o meno liberi di muoversi. Perciò possiamo dire che i cristalli metallici sono costituiti da un reticolo di ioni positivi (nuclei), disposti in modo ordinato e ripetitivo, immerso in una "nube" di elettroni mobili (costituita dagli elettroni di valenza), diffusa in tutto il reticolo e libera di muoversi al suo interno. Questo modello permette di spiegare in modo qualitativo le proprietà metalliche. I metalli sono infatti buoni conduttori elettrici, termici e presentano una buona resistenza alla rottura (deformabili e plastici).

Legami secondari o legami deboli

Sono chiamati legami deboli il legame a idrogeno e le interazioni di Van Der Waals. Il legame a idrogeno si forma quando un atomo di idrogeno si lega ad un atomo fortemente elettronegativo. Esso è dovuto ad un'interazione elettrostatica fra atomi che presentano cariche parziali di segno opposto. La presenza di forti legami a idrogeno modifica pesantemente le caratteristiche chimiche e fisiche dei composti come, ad esempio, il punto di ebollizione e l'organizzazione spaziale. L'ordine di grandezza dell'energia coinvolta nel legame ad idrogeno è circa 1/10 rispetto a quella di un legame covalente. Le Interazioni di Van Der Waals sono forze d'attrazione tra molecole neutre, che agiscono nei gas, nei liquidi e nei solidi. Sono interazioni estremamente deboli, attive a corto raggio, di tipo prevalentemente elettrostatico e riconducibili a tre tipi (interazione dipolo-dipolo, interazioni dipolo permanente-dipolo indotto, forze di dispersione di London).

Interazioni dipolo-dipolo

Si formano tra poli di carica opposta di molecole polari.

Interazioni dipolo permanente-dipolo indotto

Si hanno quando si verifica una polarizzazione della densità elettronica di una molecola polare, indotta dalla presenza di una molecola dotata di momento di dipolo permanete.

Forze di dispersione di London

Si verificano sia in molecole polari che in molecole apolari. Sono causate dall'esistenza di dipoli istantanei legati al continuo variare della distribuzione elettronica nella molecola dovuto al moto elettronico. Nel caso di molecole apolari, le temperature di fusione, ebollizione e sublimazione dipendono solo dalle Forze di Dispersione di London, le quali crescono all'aumentare della polarizzazione molecolare.

Strutture cristalline

I materiali solidi possono essere classificati in base alla regolarità con cui gli atomi e gli ioni si dispongono nello spazio gli uni rispetto agli altri. Detto ciò si suddividono le sostanze solide in: solidi cristallini e solidi amorfi. I primi sono solidi nei quali è possibile sempre individuare un "motivo" che si ripete regolarmente lungo qualsiasi direzione. Mentre nei solidi amorfi tale motivo è difficile da individuare. La regolarità presente nei solidi cristallini permette di conferire al solido una forma, un colore, e le proprietà anisotrope (direzione, conduzione elettrica, conduzione termica e proprietà ottiche). Inoltre, per i solidi cristallini si parla di reticolo, ovvero una griglia tridimensionale nella quale i punti di intersezione tra le diverse linee coincidono con i centri delle posizioni occupate dagli atomi.