Scienza e tecnologia dei materiali - il ciclo dei materiali e il riciclaggio

Il ciclo dei materiali

"Forma e matera, congiunte e purette, usciro ad esser che non avia fallo, come d'arco tricordo tre saette" - Dante, Paradiso XXIX, 22-24

Qualunque sostanza che, allo stato solido, liquido o gassoso, è usata dall'uomo per svolgere determinate funzioni prende il nome di materiale. Per realizzare le sue opere un ingegnere deve servirsi di materiali. La costruzione di un edificio, di una strada, di un ponte, di un acquedotto, di una automobile, di un "computer" o di un veicolo spaziale, è preceduta da una approfondita conoscenza delle proprietà dei materiali da utilizzare. La conoscenza di un materiale consiste nello studio dello stato di reperimento, del modo e della possibilità di ottenimento e, soprattutto, della composizione chimica e della micro- e macro-struttura. Lo studio che mette in relazione la composizione, la struttura e il trattamento dei materiali con le loro proprietà, per la migliore utilizzazione nelle differenti condizioni ambientali, costituisce la cosiddetta scienza e tecnologia dei materiali.

Classificazione

È difficile raggruppare scientificamente i differenti tipi di materiali, che assommano oggi a centinaia di migliaia. Tranne i combustibili gassosi, quelli liquidi, assieme agli olii lubrificanti e l'acqua, considerata un "materiale" di importanza unica, la massima parte dei materiali di interesse per l'ingegneria civile è solida a temperatura ordinaria. Una classifica abbastanza conveniente li suddivide in metallici, ceramici ed organici.

Come materiale metallico si intende sia l'elemento metallo sia le sue leghe. Gli elementi di natura metallica sono circa 80. I meno reattivi come oro, argento, rame, ferro meteorico ed anche il mercurio sono reperibili come tali mentre i più numerosi devono essere estratti e separati dalla parte non metallica. I materiali di natura metallica in genere sono buoni conduttori di calore e di elettricità, dotati di lucentezza "metallica", sono opachi alla luce, duri, resistenti, duttili e malleabili e perciò lavorabili per deformazione plastica, infine godono di una notevole stabilità dimensionale e sono perciò materiali strutturali primari. Alcuni metalli come il Cr, Cb, Ta, W e Ma sono indicati come refrattari perché il loro punto di fusione supera i 1800°C.

Come materiali ceramici comunemente si indicano i materiali costituenti le rocce o i minerali delle argille. Esempi familiari sono: sabbia, vetri, mattoni, cemento, calcestruzzo, gesso, grafite, fibre di vetro. In generale essi sono silicati, ossidi, carburi, nitruri, dotati di durezza elevata, e perciò alcuni sono usati come abrasivi, resistenti alle alte temperature, non conducono corrente elettrica né calore, non si corrodono facilmente. La fragilità è una loro proprietà caratteristica: solo il calcestruzzo è usato per costruzioni. Sono poco riflettenti; alcuni, come i vetri, sono trasparenti alla luce.

I materiali organici comprendono i polimeri e gli elastomeri, la carta, gli adesivi, i combustibili, i lubrificanti, i refrigeranti, le pitture e le vernici, i solventi e i detergenti, infine i cibi e le medicine. Sono i materiali che hanno avuto enorme sviluppo in questo secolo. Materiali polimerici naturali sono alla base del regno animale e vegetale. Tra quelli di utilità industriale sono: la cellulosa, le cui fibre "cementate" dalla lignina costituiscono il legno, la lana e la seta formate dalle proteine, le gomme naturali, i bitumi, ecc. Caratteristiche rilevanti per l'ingegnere sono: basso peso specifico, bassa conducibilità di calore e di elettricità, scarsa resistenza alla temperatura, combustibilità, duttilità, bassissima stabilità dimensionale.

Ottenimento

Tutti i materiali che l'uomo è in grado di utilizzare derivano necessariamente, tranne piccolissime quantità che provengono dallo spazio extraterrestre, dai costituenti della crosta terrestre, degli oceani e dell'atmosfera. I primi metalli usati dall'uomo sono stati i più rari: rame, stagno, piombo. Il ferro, secondo metallo dopo l'alluminio e che sta alla base della vita moderna, ha assunto importanza solo da cento anni. Anche l'alluminio è in realtà un metallo del ventesimo secolo, assieme al magnesio. Il titanio infine ha trovato applicazioni industriali da soli trent'anni. I metalli più abbondanti sono stati gli ultimi ad essere usati, a causa delle difficoltà incontrate nell'estrazione dei loro minerali e nei processi di raffinazione. Speciale attenzione deve essere rivolta al carbonio ed al silicio: entrambi non metalli, si trovano nello stesso gruppo del sistema periodico, hanno perciò comportamento simile; sono utilizzati per la sintesi di molecole polimeriche.

I materiali sono sottoposti dall'uomo ad un ciclo che si svolge per intero, almeno finora, nella biosfera, quello spessore della crosta terrestre dove è permessa la vita. I processi di estrazione di rocce, di minerali e di petrolio, l'abbattimento, a volte indiscriminato, di foreste forniscono le materie prime. Attraverso opportuni processi queste vengono trasformate chimicamente e modificate per fornire i materiali utili. Dopo l'uso i materiali costituiscono i rifiuti che possono o venire abbandonati o, meglio, essere convenientemente trasformati. Ogni stadio del ciclo si ripercuote su ogni altro stadio. Per la sua posizione centrale il riciclo svolge un ruolo importante. Se aumenta la quantità e il numero dei materiali riciclati, si alimentano, e in parte si sostituiscono, i materiali di partenza favorendo così il potenziamento dell'area del consumo, e, a sinistra diminuendo, il fabbisogno di materie prime e la massa dei rifiuti. L'intero ciclo è in stretta interdipendenza con l'energia: ogni stadio consuma o produce energia. Anche per questo il rapporto materiali-ambiente diventa estremamente delicato: un materiale può essere aggredito dall'ambiente e, viceversa, alterare la qualità dell'ambiente. Scienza e tecnologia aprono, e chiudono, nuovi cammini nel ciclo: nuovi materiali, nuove applicazioni, diversi consumi, nuovi bisogni.

Scelta

Rappresenta il passo più difficile e richiede uno studio lungo, intenso e costoso. È influenzata da diversi fattori tra i quali:

• Il materiale messo in opera deve avere una lunga vita. A questa concorrono stabilità dimensionale, resistenza alla corrosione, notevole resistenza meccanica, durezza e resistenza alla temperatura e alle radiazioni.