FENOMENI DI ATTRITO NEI MATERIALI Isteresi (“memoria di forma”) Modulo elastico variabile (attuatori polimerici, muscoli artificiali) Smorzamento e attrito (es. tribologia) METAMATERIALI Meccanici (auxetici) (lez.1); ottici, elettrici e magnetici DIAGRAMMI DI ASHBY (confronto tra le proprietà dei materiali)
DEFINIZIONE DI ISTERESI L'isteresi (“ritardo” in greco) è la non esatta corrispondenza del comportamento del metallo e quindi la non coincidenza dei diagrammi tracciati in un verso (es. riscaldamento) con quelli tracciati nel verso opposto (es. raffreddamento). Questa viene propriamente detta isteresi termica, in molti metalli si verifica poi un'isteresi meccanica, quando il comportamento meccanico in fase di carico non coincide con quello in fase di scarico del materiale. In pratica, questo significa che in un materiale reale, che viene “caricato” in qualche modo (scaldandolo, tirandolo, magnetizzandolo), quando viene successivamente “scaricato” rimane una “memoria” del fatto di essere stato caricato, cioè un po' di energia residua (termica, magnetica, meccanica). In molti casi, quest'energia è poca e non è sfruttabile, ma in altri casi lo è (es. materiali ferromagnetici, leghe o polimeri a memoria di forma).
ISTERESI MAGNETICA E MECCANICA
Isteresi magnetica dei ferromagneti (ferro, nichel, cobalto)
Ciclo di isteresi in un impatto su un composito
I cicli di isteresi magnetica rappresentano la quantità di energia ottenibile da un magnete applicando un campo magnetico su un materiale di una certa permeabilità magnetica. A seconda delle necessità, si può modificare le caratteristiche del materiale per avere o maggiore permeabilità con piccoli valori di campo o viceversa. Al contrario, in un circuito elettrico il ciclo di isteresi rappresenta la quantità di energia persa in conseguenza della magnetizzazione del conduttore dovuta al passaggio di una corrente alternata. Il ciclo di isteresi meccanica (a destra) indica la quantità di energia dissipata nell'impatto, ed inoltre che quantità di questa energia è dovuta alla deformazione elastica, che parte alla deformazione plastica (danneggiamento) e che parte allo smorzamento od al rimbalzo dell'impattatore.
APPLICAZIONI DI RICERCA: STUDIO DEI BIOMAGNETI La pulce d'acqua si riproduce per partenogenesi, tranne che in ambienti aggressivi, nel qual caso produce uova molto resistenti. Le uova contengono magnetite (Fe3O4) e quindi si comportano come bio-magneti, il che è utile dal punto di vista del comportamento, per esempio per l'orientamento nella navigazione. Dafnia (pulce d'acqua) I batteri magnetotattici possono essere divisi in due categorie, secondo se producono particelle di magnetite (Fe3O4) o di greigite (Fe3S4), sebbene alcune specie siano capaci di produrle entrambe. La magnetite possiede un momento magnetico pari a circa tre volte quello della greigite. Batterio con magnetosomi (barra = 1 micron)
ISTERESI E “MEMORIA DI FORMA”
Isteresi meccanica di una lega a memoria di forma (es. leghe nichel-titanio)
La presenza di isteresi implica un ciclo energetico. L'energia prodotta dall'isteresi può rappresentare: una perdita (conduzione elettrica) o un guadagno (magneti permanenti)
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MEMORIA DI FORMA E TRASFORMAZIONI DI FASE
Le leghe a memoria di forma sono basate (a) sul fatto che, riscaldando il materiale oltre una certa temperatura, la fase martensitica delle leghe si trasforma in fase austenitica (gradatamente dal punto As al punto Af), così al contrario raffreddandola si torna alla martensite (sempre gradatamente dal punto Ms al punto Mf). Va anche osservato che il materiale ottenuto con queste leghe ha due lunghezze diverse (b), una in fase austenite, una in fase martensite, e si passa dall'una all'altra durante la trasformazione. Questo consente un utilizzo delle leghe a memoria di forma in attuatori (es. martinetti, oppure sistemi anti-vibrazione)
MEMORIA DI FORMA NEI POLIMERI
Anche in molti polimeri in forma di gel, come per esempio l'acido polilattico (PLA: biodegradabile), la carbossimetilcellulosa (CMC) e l'Nisoproplilacrilammide (NIPA: non bio-degradabile) c'è una memoria di forma, dovuta a trasformazione di fase. Le più interessanti trasformazioni sono quelle che avvengono a circa 30-40°C, cioè con un modesto riscaldamento rispetto a temperatura ambiente.
ATTUAZIONE Applicazione: by-pass arterioso in leghe a memoria di forma
L'attuazione consiste in due possibili movimenti: nessuno spostamento e produzione di una forza (isometrica) e forza costante e produzione di uno spostamento (isotonica): questo negli attuatori tradizionali. Gli attuatori innovativi (a memoria di forma, metallici o polimerici) permettono anche tutta una serie di situazioni intermedie (per esempio flessione e torsione)
MUSCOLI ARTIFICIALI (attuatori intelligenti): CARATTERISTICHE Producono la forza richiesta in tempo molto breve (alta diffusione del fluido nei polimeri, e del calore nei metalli a memoria di forma) Sono reversibili (per esempio la trasformazione può essere invertita col passaggio di una corrente elettrica, o mettendo altri fluidi in soluzione) Si estendono e contraggono gradatamente (importante in robotica) Sono a volte biocompatibili e quindi impiantabili (ma non per esempio la NIPA e le leghe a memoria con l'oro Ni-Ti-Au)
Micrografia di un muscolo artificiale realizzata con nanotubi di carbonio, per avere alta diffusione dei fluidi all'interno della struttura
ATTUATORI BIO-ISPIRATI
(con gel polimerico e fibre tessute ad angolo acuto)
La natura ha realizzato dei veri e propri muscoli artificiali nel caso dei vermi, ancora una volta sfruttando la disposizione ad elica delle fibre proteiniche (di chitina). Il concetto è il passaggio dell'angolo delle fibre da un minimo di 30° ad un massimo di circa 55° mentre l'acqua che fa rigonfiare il gel interno si trasmette per osmosi da un “anello” ad un altro.
ATTUAZIONE NELLE PIANTE (grazie alla variabilità del turgore)
Le piante carnivore, come la dionea, hanno un sistema di regolazione della pressione idraulica, che permette loro una chiusura rapida ed ermetica. Il principio della chiusura a pressione è sfruttato anche da molluschi, come la patella (adesione alle rocce) e la littorina (difesa dall'alta marea)
BIO-TRIBOLOGIA
(studio dell'effetto delle modificazioni superficiali, es. rugosità, in natura)
Deformazione controllata dei globuli bianchi a contatto con l'epitelo
Il controllo della struttura superficiale per bio-sensori è anche presente in piante come il tabacco (sensore da ozono), il gladiolo (sensore da fluoruri), il loietto (sensore da metalli pesanti), mentre chemosensori sono presenti in insetti come grilli e zanzare
Rugosità della pelle dello squalo per garantire una migliore portanza aerodinamica nel nuoto
METAMATERIALI OTTICI
L'opale,un minerale siliceo di origine vulcanica, se formato in film sottilissimi, nell'ordine del micron, permette di ottenere metamateriali con indice di rifrazione negativo. Questo significa che la luce, passando dall'aria ad altro materiale (es. vetro), viene respinta indietro. Questo significa che, regolando opportunamente l'angolo di rifrazione negativa, è possibile mettere a fuoco un'immagine sul cristallino (lente dell'occhio) utilizzando una lente correttiva piana.
METAMATERIALI ELETTROMAGNETICI
Avere un indice di rifrazione negativo significa, ad altre frequenze (per esempio alle frequenze delle microonde, dell'ordine dei gigahertz (GHz) utilizzate anche nei telefoni cellulari) che si può avere nel materiale una permittività magnetica ed una costante dielettrica inferiore a quella del vuoto, il che vuol dire una capacità “mirata” di respingere le radiazioni elettromagnetiche (efficiacia schermante).
Metamateriale “infinito” con sfere di rame in resina polimerica
L’EFFETTO LOTO: TENSIONE SUPERFICIALE NEGATIVA
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L’effetto nasce poiché le foglie del loto hanno una struttura superficiale molto fine e sono rivestite di cristalli di cera idrofobica di diametro circa 1 nanometro. Nella scala del nanometro, le superfici ruvide tendono ad essere più idrofobiche di quelle lisce, a causa della ridotta area di contatto tra l’acqua ed il solido. Nella pianta del loto, la superficie reale di contatto è solo il 2-3% della superficie ricoperta dalle gocce. Questa nanostruttura ruvida è essenziale per l’effetto autopulente: su una superficie idrofobica liscia, le goccioline di acqua slittano piuttosto che rotolare e non raccolgono lo sporco con la stessa efficacia.
SUPERFICI AUTOPULENTI PER SCAFFOLD IN ACIDO POLILATTICO E DIOSSANO
La superidrofobicità è basata sull'effetto loto (Nelumbo Nucifera), in pratica la creazione di una tensione superficiale negativa (con angolo di contatto ottuso) dovuto alla nanostruttura della superficie
ALTRI METAMATERIALI: NANOTUBI DI CARBONIO
Fullerene (C60)
I nanotubi di carbonio possono avere teoricamente comportamento di conduttore e semiconduttore a seconda dei valori dei numeri chirali m ed n; se 2n + m=3q (q intero) il nanotubo è metallico. Problema: controllo dimensionale
DIAGRAMMI DI ASHBY •
Polimeri e compositi (modulo elastico, o di Young, e densità)
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Materiali naturali (modulo elastico e densità)
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Smorzamento e modulo elastico
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Tenacità e frattura
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Conducibilità termica e modulo elastico
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Conducibilità termica – resistività elettrica
SIGNIFICATO DELL'IBRIDAZIONE Gli ibridi (p.es. materiali compositi) possono venire intesi come utili per colmare le differenze tra le proprietà dei materiali, nel caso che si desiderino valori precisi di determinate proprietà
In realtà, la difficoltà nella creazione di ibridi è che essi difficilmente danno delle proprietà ottenibili come “somma ponderata” delle proprietà dei materiali iniziali, per cui bisogna sempre verificare empiricamente (con prove) quali siano le proprietà dell'ibrido ottenuto
POLIMERI E COMPOSITI
MMCs = compositi a matrice metallica (tipicamente lega di alluminio con particelle ceramiche, p.es di allumina)
PROPRIETA' MECCANICHE MATERIALI NATURALI
Notare come la maggior parte delle fibre naturali e la gomma di caucciù (elastomero), essendo polimeri che utilizzano l'acqua come solvente, hanno una densità mai troppo lontana da 1.
DIAGRAMMA DELLO SMORZAMENTO
I materiali meno smorzati, nel caso in cui c'è una sollecitazione (p.es. vento o urto) abbastanza forte da farli vibrare, non sono in grado di riassorbirla. Quelli più smorzati, d'altro canto, di solito vibrano più facilmente (per sollecitazioni minori)
TENACITA' E FRATTURA
C'è una certa proporzionalità tra la tenacità, cioè la resistenza alla propagazione del difetto, e la resistenza a rottura. Di solito una maggiore flessibilità aiuta nel conseguire una maggiore tenacità.
DIAGRAMMA DI ASHBY CON VARIABILE NON MECCANICA: CONDUCIBILITA' TERMICA
Nell'ambito della conducibilità termica le diverse classi di materiali sono ben distinguibili (le diverse regioni sono piuttosto ben separate)
CONDUCIBILITA' TERMICA – RESISTIVITA' ELETTRICA
Qui la divisione è assolutamente evidente: in pratica, metalli e ceramici conducono bene il calore, gli altri materiali no. Però i metalli, che conducono anche l'elettricità, hanno una bassa resistenza.
TERMINI DA APPROFONDIRE
• Teoria di Griffith (Griffith's theory) • Modulo elastico (Young's modulus) • Biotribologia (biotribology) • Diagrammi di Ashby (Ashby's diagrams) • Seta dei ragni (spider silk) • Effetto loto (lotus effects)
DOMANDE DI RIFLESSIONE (sui diagrammi di Ashby) Il primo diagramma che Ashby sviluppò, circa nel 1980, è quello dei materiali ingegnerizzati (prodotti dall'uomo) con sugli assi il modulo elastico e la densità. Perché secondo voi scelse proprio queste due variabili come più “importanti”? Guardando il diagramma dei materiali naturali, tra quello di sinistra (forza, cioè resistenza a rottura-densità) e quello di destra (modulo elastico-densità) quali classi di materiali cambiano posizione? E che cosa indica questo? Si dice che solo i metalli conducono bene sia il calore sia l'elettricità: come si può vedere dalla loro posizione nel grafico? Quali sono i migliori metalli, come conduzione dell'elettricità, secondo il grafico?
