MATERIALI, Scienza dei

MATERIALI, Scienza dei

Una definizione assai generale di scienza dei m. (che si occupa prevalentemente di m. allo stato solido) può darsi come: ''lo studio della natura, comportamento e uso dei materiali applicato alla scienza e alla tecnologia''. Talvolta viene usata la dizione ''scienza e ingegneria dei materiali''; tuttavia la scienza dei m. sfugge a una definizione succinta. Essa non può essere pensata come un'unica disciplina (perciò qualsiasi definizione può contenere una certa dose di ambiguità) ma piuttosto come un vasto, vitale e relativamente nuovo campo di conoscenze e di tecniche, sperimentali e teoriche, che costituiscono un elemento essenziale della moderna società tecnologica.

Praticamente in ogni momento siamo posti a confronto con prodotti della tecnologia dei m., data la stretta interdipendenza tra tecnologia e m., nel senso che l'avanzamento delle varie tecnologie non può avvenire se non si hanno a disposizione i m. idonei; ma d'altra parte è proprio il progresso tecnologico (si pensi alle sofisticate apparecchiature e ai metodi oggi impiegati nella ricerca) che ha permesso la creazione di m. non disponibili e perfino impensabili in precedenza. Potremmo quindi dire che una definizione della scienza dei m. può forse meglio emergere guardando all'evoluzione della ricerca sui materiali.

I m. sono sempre stati di fondamentale importanza per il progresso dell'umanità. Quale area dello sforzo tecnico-conoscitivo del genere umano la ricerca sui m. è altrettanto antica quanto l'homo faber, il primo membro della nostra specie a cercare e a manipolare intenzionalmente m. che la natura offriva a portata di mano (pietra, legno, ossa) per renderli idonei a usi particolari, principalmente a scopo protettivo e/o come utensili, e migliorare così la qualità della vita. È noto che i m. predominanti trovati dagli archeologi nel corso degli scavi sono stati usati per denominare intere età di sviluppo dell'umanità. Poco a poco, nel corso dei secoli, l'uomo si rese conto in maniera sostanzialmente empirica, talvolta con il concorso di ritrovamenti accidentali, che poteva modificare la natura delle sostanze disponibili allo stato naturale e fabbricare nuovi m. e prodotti in varie forme: ceramiche ottenute dall'argilla (circa 10.000-7000 a.C.), bronzo (circa 3000 a.C.), ferro (circa 1500 a.C.), vetro (circa 2000-1500 a.C.). La scelta di un m. e il processo per ricavarne un prodotto ha visto un'enorme evoluzione dai tempi primitivi in cui i manufatti erano il risultato in gran parte di un'''arte'' raramente sostenuta da conoscenze scientifiche sui m. da trattare. Oggi la maggior parte dei m. che usiamo sono artificiali, e molti processi sempre più sofisticati sono disponibili per manipolarli e foggiarli nelle forme desiderate.

Gli albori dell'applicazione della scienza in senso moderno alla ricerca sui m. si possono far risalire alla fine del 18° secolo con i primi sviluppi della chimica analitica e la prima rivoluzione industriale. A questo punto processi di fabbricazione noti, soprattutto di prodotti metallurgici, potevano essere controllati e migliorati. La transizione, dapprima lenta, da arte e tecnica a scienza fu segnata da alcune tappe, vere svolte, che accelerarono il processo di comprensione della natura intima dei materiali. Il microscopio ottico impiegato dopo la metà del 19° secolo (circa 1865) per la prima volta rivelava la microstruttura di un m. come l'acciaio. La scoperta della diffrazione dei raggi X nel primo decennio del 20° secolo (1910-11) permetteva di rivelare la posizione degli atomi e delle molecole nei cristalli. L'elaborazione della meccanica quantistica da parte dei fisici negli anni Venti e la sua immediata applicazione alla chimica, con i conseguenti sviluppi delle teorie del legame chimico, segnarono una vera rivoluzione nella conoscenza e descrizione della struttura della materia.

Molte delle innovazioni tecnologiche che caratterizzano il nostro tempo si può dire abbiano qui le loro radici concettuali. A questo punto era possibile cominciare a valutare le relazioni tra struttura e proprietà, a spiegare fatti, a fare previsioni. Fu possibile mettere a punto nuove rivoluzionarie tecniche d'indagine (per es. microscopie elettroniche a trasmissione e a scansione, varie tecniche spettroscopiche, nuove tecniche diffrattometriche) oggi potentemente impiegate nei vari aspetti della ricerca sullo stato solido. Per citare un altro esempio, la scoperta, all'inizio degli anni Cinquanta, del transistor in un laboratorio di ricerca industriale negli USA, diede l'avvio allo sviluppo dell'elettronica dello stato solido. Tra l'altro questo ha portato a una rivoluzione nel modo di fare ricerca, cioè all'introduzione del computer nel controllo degli esperimenti e nell'elaborazione dei dati e allo sviluppo di metodi teorici consentito dall'impiego di elaboratori elettronici sempre più potenti.

La transizione alla moderna scienza dei m. può dirsi completata dopo la seconda guerra mondiale, in particolare a partire dagli anni Sessanta. Si è compreso che in ciascun m., a qualsiasi classe appartenga, esiste una gerarchia di livelli strutturali che vanno dalla scala subatomica, atomica e molecolare, alla microstruttura, fino alla scala macroscopica o macrostruttura che osserviamo a occhio nudo. L'ordine di grandezza delle dimensioni spazia da 0,1 nm (un decimo di nanometro, equivalente a un dieci miliardesimo di metro) a circa 1 cm. In particolare, per microstruttura s'intende numero, forma e distribuzione delle fasi presenti, dimensioni dei grani in un solido policristallino, porosità, concentrazioni di difetti. Il comportamento di un m. solido, cioè le proprietà macroscopiche che osserviamo (per es. proprietà fisiche, meccaniche), dipende in larga misura dalla sua architettura interna e in ultima analisi dal tipo e dalla forza dei legami chimici che prevalgono nel solido. Agendo opportunamente sia a livello microscopico, cioè atomico e molecolare, sia a livello di microstruttura, m. noti possono essere modificati per conferire loro migliori proprietà; possono essere creati m. nuovi, talvolta combinando m. e strutture diverse, con proprietà del tutto nuove. Si ottengono così i nuovi m., i cosiddetti m. avanzati (intendendo m. ad alto contenuto di scienza e d'ingegneria); si tratta di m. funzionali (tipicamente m. per l'elettronica e per l'optoelettronica) e strutturali (cioè m. con funzioni soprattutto meccaniche), caratterizzati in ogni caso da alte prestazioni e affidabilità.

La scienza dei m. come oggi la conosciamo nasce quindi dai contributi di varie discipline tradizionali (chimica, fisica, ingegneria, ma anche metallurgia, cristallografia, matematica) e dal riconoscimento che progressi significativi sia nella conoscenza che nelle applicazioni dei m. potevano venire dalla collaborazione tra specialisti delle varie discipline scientifiche e ingegneristiche su un progetto globale. Schematizzando, possiamo dire che i contributi della chimica riguardano principalmente la sintesi dei componenti di partenza, la determinazione e la manipolazione delle strutture molecolari e la loro relazione con le proprietà, le varie tecniche analitiche per il controllo delle composizioni, delle strutture e dei processi. Contributi importanti della fisica, tipicamente della fisica dello stato solido, riguardano la conoscenza delle proprietà delocalizzate, l'introduzione di nuove tecniche sperimentali e teoriche di analisi e di processo, lo sviluppo di modelli. L'ingegneria contribuisce alla conoscenza delle proprietà macroscopiche, specie per i m. strutturali (per es. proprietà meccaniche) al fine di ottimizzare le tecniche di progettazione e assemblaggio per ottenere prodotti e manufatti sempre più avanzati e affidabili. È opportuno rilevare che nel condurre ricerca di frontiera sui m. si verifica sempre più una sorta di trasversalità e di autofertilizzazione tra le varie discipline tradizionali, e questo è tanto più vero quando ci si riferisce agli individui che fanno ricerca. Per es., quando per la formazione di un nuovo m. si utilizza un processo basato sull'aggiunta di atomi o molecole − per es. tecniche come la deposizione chimica da vapore (CVD, Chemical Vapor Deposition) o l'epitassia a fascio molecolare (MBE, Molecular Beam Epitaxy) − i contributi del chimico e del fisico sono intrecciati; la ricerca può essere condotta con competenza da ricercatori formati in discipline differenti (per es. chimica o fisica) ma addestrati ad hoc e con una notevole apertura intellettuale.

È qui opportuno un commento sul modo di far ricerca nella scienza dei m. e sulla formazione dei ricercatori. Nella scienza dei m., rappresentando essa una sorta di prototipo di ricerca interdisciplinare, la collaborazione tra vari specialisti è diventata necessaria e fisiologica per consentire il trasferimento dei risultati della scienza di base alle applicazioni tecnologiche il più efficacemente possibile. Ma per questo occorrono sforzo organizzativo, disponibilità di mezzi e personale opportunamente addestrato alla ricerca. Non è un caso che l'''incubatrice'' per l'approccio interdisciplinare siano stati inizialmente alcuni grandi laboratori industriali impegnati in programmi di ricerca sullo stato solido, soprattutto negli USA a partire dagli anni Cinquanta. Un notevole impulso è venuto anche dal varo di grandi progetti di ricerca nazionali e internazionali connessi con lo sfruttamento dell'energia nucleare, lo sviluppo di sofisticati sistemi di difesa militare, le esplorazioni spaziali. Un esempio, per la sua portata culturale, è stato la creazione dei Materials Research Laboratories (MRL) in alcune grandi università statunitensi, dotati di fondi governativi e con lo scopo di condurre programmi di ricerca interdisciplinare sui m. in un ambiente favorevole all'educazione dei giovani alla ricerca.

La ricerca sui m., proprio perché di frontiera, è condotta in modi diversi a motivo della complessità dei problemi a essa connessi. C'è la ricerca fatta da gruppi interdisciplinari ampi e ben coordinati, in laboratori centralizzati e con consistenti mezzi tecnici e finanziari. Spesso questi gruppi operano con un obiettivo specifico di ricerca e sviluppo, talvolta con precisi limiti di tempo. C'è poi la ricerca fatta da piccoli gruppi, come quelli che tipicamente operano nelle università a contatto con gli studenti, con mezzi limitati ma forse con più gradi di libertà. Negli anni recenti sempre più spesso piccoli gruppi e singoli ricercatori hanno accesso a grandi apparecchiature e godono di facilities in laboratori a carattere nazionale, tipo per es. la radiazione di sincrotrone.

Questo modo di fare ricerca è importante perché, oltre a essere spesso fonte di scoperte d'avanguardia, svolge una funzione essenziale di educazione e di formazione che in definitiva va a beneficio di tutto il settore di ricerca sui materiali. Un ulteriore aspetto positivo è l'internazionalizzazione della ricerca che è caratteristica del nostro tempo. La formazione di nuove competenze individuali in una visione interdisciplinare è stata ed è tuttora un compito tanto importante quanto difficile, considerando la complessità della ricerca e le inadeguatezze delle istituzioni, specie per quanto riguarda i programmi educativi nella scienza e ingegneria dei materiali. Negli anni recenti la situazione è molto migliorata. Sono state create scuole di specializzazione, nuovi corsi di laurea, dottorati di ricerca con programmi ad hoc. I paesi tecnologicamente all'avanguardia hanno provveduto da tempo. Per citare un esempio, il numero dei dipartimenti o istituti di scienza dei m. o scienza e ingegneria dei m. nelle università statunitensi è più che quintuplicato negli ultimi venticinque anni; lo stesso è avvenuto o sta avvenendo, sia pure in ritardo, in tutti gli altri paesi sviluppati, compresa l'Italia. Tuttavia pochi sono gli scienziati addestrati nella ricerca sui materiali. Una recente indagine presso le università degli USA che offrono curricula e titoli in scienza dei m., ha dimostrato la necessità di migliorare i sistemi educativi, di attrarre un numero maggiore di giovani e di addestrarli a essere innovativi per affrontare con successo le sfide poste dalla scienza e dalla tecnologia. Infine ricordiamo che, in Italia, tra gli obiettivi generali del Progetto finalizzato ''Materiali speciali per tecnologie avanzate'' varato dal Consiglio nazionale delle ricerche, figura anche quello della formazione di nuove competenze specifiche per sopperire alle richieste del mercato del lavoro nell'ambito sia delle attività di ricerca che della produzione.

Il ciclo globale dei materiali. − Il modo di connettersi delle attività di ricerca nella scienza dei m. con i bisogni della società, può essere schematizzato con una sequenza: ricerca→sviluppo→progettazione ingegneristica→mercato→consumo (impiego).

Si deve inoltre tener conto della disponibilità di risorse sul pianeta Terra e del fabbisogno di materie prime, come altrettanti problemi che si aggiungono a quelli connessi con i vari aspetti della sequenza descritta che non è necessariamente una sequenza temporale. Spesso lo stimolo per la ricerca fondamentale nasce da necessità di tipo ingegneristico o da obiettivi di mercato. I fini economici sono certamente la spinta per nuovi m., per fornire nuovi e migliori prodotti che assicurino un plusvalore e, indirettamente, una crescita economica. Ma soprattutto, come già accennato, i progressi nella ricerca sui m. sono vitali per molti settori della tecnologia e d'importanza critica in settori quali l'energia, l'elettronica, le comunicazioni, le ricerche spaziali e i trasporti.

Per avere un quadro d'insieme delle complesse problematiche della scienza dei m. si può far riferimento al classico ciclo globale dei m. come è schematizzato in figura. Come si vede, tutti i m. hanno inizio come risorse fisiche esistenti sulla Terra e, attraverso vari processi (rappresentati dai rettangoli bianchi) e vari stati (rappresentati dai rettangoli grigi), che vanno dai composti chimici alle più complesse strutture, ritornano alla terra come rifiuti. Processi e stati possono differire grandemente da un m. all'altro.

L'area di azione della scienza dei m. è più propriamente compresa nella parte destra del ciclo dove, a partire dai m. di base o semilavorati (soprattutto metalli e prodotti chimici derivati dalle materie prime mediante processi di raffinazione e sintesi), si ottengono i componenti strutturali che vengono poi assemblati nei prodotti manufatti; da questi, attraverso il processo di riciclaggio dei rifiuti, si può ritornare allo stato iniziale. La scienza di base trova grande spazio nella sintesi e nel trattamento dei m., e tanto più per i m. avanzati che, non essendo un prodotto finale, vengono utilizzati per costruire componenti di sistemi più complessi che trovano applicazione nei settori dei trasporti terrestre e aerospaziale, delle telecomunicazioni, dell'informatica, della produzione e del trasporto di energia. Progressi nelle tecniche di sintesi portano a nuovi e/o più puri componenti chimici di base; in definitiva, si può dire, a ''materie prime'' più avanzate. Progressi nelle tecniche di trattamento portano alla fabbricazione di m. più evoluti e complessi. Un elenco, certamente non completo, delle tecniche di trattamento in uso comprende: trattamenti termici tradizionali e speciali; varie tecniche di pressatura a freddo e a caldo di polveri metalliche e ceramiche; sinterizzazione; densificazione per reazione chimica di polveri ceramiche (è il caso, per es., del nitruro di silicio); crescita di monocristalli (possiamo citare per tutti il monocristallo di silicio, base del chip per l'elettronica integrata); rivestimenti a scopo anticorrosivo di leghe metalliche con m. ceramici mediante plasma-spraying; raffreddamento o solidificazione rapida, quindi in condizioni tipicamente fuori dall'equilibrio, di m., specie metallici; deposizione di film sottili; implantazione ionica; assemblaggio di m. compositi a livello di struttura sia macroscopica sia microscopica (oggi si arriva a parlare di nanocompositi), e quant'altro. In genere, agendo a livello microstrutturale, questi trattamenti conferiscono al m. proprietà nuove o migliori in termini di rigidità, tenacità, densità, trasparenza, capacità d'impiego a temperature più elevate. In pratica, raramente i processi di sintesi e il trattamento sono nettamente divisi. Allo stato attuale alcune di queste tecnologie sono mature e sono entrate nel ciclo produttivo, altre sono ancora in una fase di ricerca e sperimentazione e costituiscono una frontiera della scienza dei materiali.

È importante che i manufatti, specie quelli impiegati per usi speciali, e i m. di cui sono costituiti siano affidabili. Ciò significa che durante il periodo di esercizio nelle date condizioni ambientali essi devono mantenere costanti il più rigorosamente possibile le proprietà chimiche, fisiche e strutturali, in modo da assolvere soddisfacentemente alle funzioni per cui sono stati progettati e realizzati. L'affidabilità richiede quindi rigorosi controlli a tutti i livelli, dalle materie prime alla produzione dei m., alla progettazione e alla fabbricazione dei manufatti.

Il processo di riciclo dei m., vale a dire l'introduzione dei m. di rifiuto nello stesso ciclo produttivo, è importante in presenza di penuria di determinate materie prime e di limitatezza delle fonti energetiche tenendo conto anche della necessità di ridurre l'inquinamento dell'ambiente. Nei casi in cui il costo del m. contribuisce largamente al costo complessivo del prodotto si realizza anche un incentivo finanziario al riciclaggio.

La nascita e la crescita imponente della produzione e dell'uso delle materie plastiche sono state forse uno degli eventi tecnologici più significativi del 20° secolo. Soltanto negli USA la produzione di materie plastiche è aumentata più di 100 volte negli ultimi 50 anni, e il trend è sempre in crescita (circa 30 milioni di t nel 1990), mentre la produzione di acciaio e di metalli come alluminio e rame è stazionaria o in diminuzione negli ultimi 10 anni. Soltanto alcuni tipi di materie plastiche possono essere, come vedremo, qualificate come m. ''avanzati'', e usate da sole ma più spesso in combinazione con altri m. in fibra nei materiali compositi in competizione con i metalli nei settori di mercato aerospaziale, del trasporto aereo, dell'automobile, delle condutture, dell'imballaggio, dei componenti elettrici ed elettronici.

Le materie plastiche possono dunque offrire un esempio di riciclo del m. e dell'energia. Esse sono prodotte a partire da petrolio o gas naturale che finora rappresentano le principali fonti di energia. L'energia contenuta nei rifiuti delle materie plastiche potrebbe essere recuperata per es. mediante un processo d'incenerimento, rendendo più agevole al contempo lo smaltimento dei rifiuti sul terreno (discarica). Tuttavia il riciclo delle materie plastiche pone problemi che lo stato attuale delle conoscenze non ha ancora completamente risolto. In prospettiva esiste la tendenza a considerare aspetti salienti del processo di produzione dei m. anche la protezione ambientale e il riciclo dei rifiuti. Questo significa ricerca per processi di fabbricazione innovativi per minimizzare la produzione di scorie e il dispendio energetico.

Metodologie d'indagine. − La scienza dei m. impiega metodologie tipiche della chimica, della chimica dello stato solido, della fisica dello stato solido, dell'ingegneria dei materiali. Data la complessità dei problemi che s'incontrano nella ricerca interdisciplinare sui m., possiamo comprendere la molteplicità delle tecniche sperimentali e dei metodi teorici impiegati nella caratterizzazione dei m. con riferimento sia alla loro struttura, sia alle proprietà e al comportamento in esercizio nonché ad aspetti relativi alla progettazione.

Sul versante dei metodi teorici ricordiamo che i modelli fisici intesi a descrivere il processo e le proprietà dei m. e lo sviluppo delle tecniche sperimentali hanno alla loro base varie teorie, talvolta combinate tra loro: meccanica quantistica, meccanica statistica, chimica teorica, termodinamica, termodinamica dei processi irreversibili, cinetica chimica, dinamica molecolare, elettrochimica; e poi, teoria della struttura elettronica a bande, teoria delle dislocazioni, meccanica analitica, fino alla teoria dei frattali. Per es. negli ultimi vent'anni è diventato sempre più diffuso il calcolo computerizzato di diagrammi di fase termodinamici; così pure il comportamento di molti differenti tipi di m., quali sistemi intermetallici, ceramici strutturali e compositi, possono essere descritti usando appropriati modelli termodinamici e meccanici.

Le tecniche sperimentali impiegate per lo studio e la caratterizzazione strutturale dei m. sono essenzialmente tecniche diffrattrometriche, spettroscopiche e microscopiche, basate sull'interazione radiazione elettromagnetica-materia. Le tecniche diffrattometriche (diffrazione di raggi X, diffrazione di elettroni, diffrazione di neutroni) sono le più usate per la definizione dei parametri strutturali. Le tecniche spettroscopiche utilizzate sono: spettroscopia infrarossa (IR) e Raman; spettroscopia visibile/ultravioletta; spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) e di risonanza di spin elettronico (ESR); spettroscopie di assorbimento dei raggi X che utilizzano la luce di sincrotrone e che consentono di ottenere mappe di diffrazione a elevata risoluzione particolarmente utile per avere informazioni sulla struttura locale atomica, EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) ed elettronica, XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure); spettroscopie fotoelettroniche: XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), UPS (Ultra-violet Photoelectron Spectroscopy), AES (Auger Electron Spectroscopy) ed EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy). Queste tecniche spettroscopiche forniscono informazioni sulla composizione e sullo stato elettronico delle superfici dei solidi. Va inoltre ricordata la tecnica SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) per lo studio della composizione isotopica delle superfici. Le tecniche microscopiche usate sono: microscopia ottica, microscopia elettronica a scansione (SEM, Scanning Electron Microscopy) e a trasmissione (TEM, Transmission Electron Microscopy); le microscopie elettroniche sono un mezzo davvero potente per osservare le strutture tridimensionali delle particelle a livello di grano di difetti estesi e, con i più recenti strumenti ad alta risoluzione, fino alla scala atomica. L'accoppiamento di sonde microanalitiche consente anche di ottenere informazioni sulla composizione chimica elementare a livello di microstruttura. Recentemente sono state introdotte la microscopia a forza atomica (AFM, Atomic Force Microscopy) e la microscopia a scansione a effetto tunnel (STM, Scanning Tunnelling Microscope) che offre grandi possibilità nello studio della struttura delle superfici con una risoluzione dell'ordine del nanometro.

Per quanto riguarda la determinazione di proprietà dei m. ci riferiamo soprattutto alla misura di grandezze fisiche e meccaniche. Tra le proprietà di trasporto le misure più frequentemente eseguite sono quelle di conducibilità elettrica, conducibilità elettronica e ionica, conducibilità termica. Pure importanti sono le proprietà magnetiche come paramagnetismo e ferromagnetismo mostrate da alcune classi di m. inorganici e non. Molto impiegate nella caratterizzazione dei m. sono tecniche termoanalitiche come l'analisi termogravimetrica (TGA, Thermogravimetric Analysis) e l'analisi termica differenziale (DTA, Differential Thermal Analysis), che danno informazioni sulle transizioni di fase, contribuiscono alla determinazione di diagrammi di fase e, indirettamente, alla conoscenza di proprietà strutturali. Una tecnica come la spettrometria di massa è talvolta impiegata per controllare il processo e per la determinazione di proprietà termodinamiche. Per il comportamento e l'affidabilità dei m. in servizio è importante stabilire il comportamento meccanico, vale a dire la risposta alle varie sollecitazioni esterne, e il comportamento chimico, per es. la resistenza alla corrosione nelle varie condizioni ambientali, nonché l'effetto dello stress meccanico sulla corrosione chimica e l'alterazione delle proprietà meccaniche a causa di processi di corrosione.

Caratteristiche salienti di alcune classi di materiali. − Tenuto conto della vastissima gamma dei m. artificiali oggi a disposizione e della continua creazione di nuovi m., descriveremo sinteticamente le caratteristiche salienti di alcune classi di m., la loro evoluzione, le applicazioni e le tendenze attuali, con particolare riferimento ai m. avanzati. Per notizie di maggior dettaglio, si vedano altresì le voci ceramica; compositi, materiali; leghe; polimeri, in questa Appendice.

Un possibile modo di raggruppare i m. è quello che tiene conto delle applicazioni e delle funzioni a cui sono destinati: si parla così di m. strutturali, m. per l'elettronica e fotonica, m. per l'impiego ad alte temperature, m. biocompatibili, ecc. Una delle classificazioni tradizionali, qui adottata, tiene conto delle caratteristiche comuni all'interno di ogni classe e divide i m. in: m. metallici, m. ceramici, materie plastiche e polimeri, m. compositi. Le proprietà di alcuni m. scelti dalle varie classi vengono riportate per confronto in tabella.

Nelle applicazioni di ogni giorno m. tradizionali (per es. acciaio, vetro, ceramiche tecniche, materie plastiche) convivono con i m. avanzati. Con lo sviluppo delle nuove tecnologie si assiste peraltro a una competizione crescente tra m. appartenenti a una stessa classe: per es., metalli e plastiche vengono sostituiti da altri metalli e plastiche con proprietà e prestazioni migliorate tenendo conto anche dell'aspetto economico. Competizione esiste anche tra classi diverse di m., nel senso che metalli, materie plastiche, m. ceramici avanzati possono essere alternativi l'uno all'altro per specifiche applicazioni.

Materiali metallici. − I m. metallici, com'è noto, sono sostanze inorganiche costituite da uno o più elementi a carattere metallico. Hanno generalmente una struttura cristallina compatta, che conferisce loro una densità solitamente più elevata rispetto agli altri m.; sono buoni conduttori elettrici e termici, proprietà queste derivanti dalla natura del legame metallico e dalla struttura cristallina. Le leghe ferrose, a base di ferro come gli acciai, e non ferrose a base di rame, alluminio, nichel, titanio, hanno generalmente buona resistenza meccanica e sono impiegate come m. strutturali. Le proprietà meccaniche peggiorano tuttavia con l'aumentare della temperatura. I metalli refrattari che fondono a temperatura oltre i 2000 °C, come molibdeno, tungsteno, tantalio, niobio e loro leghe, mantengono invece soddisfacenti proprietà meccaniche a temperature elevate (oltre 1200÷1500 °C). Per i m. metallici la tecnica di formatura più diffusa è il processo di solidificazione dal fuso, eseguito avendo cura di controllare l'evoluzione della microstruttura. Una microstruttura a grani cristallini fini e omogenei in forma e composizione, conferisce migliori proprietà meccaniche. Questo risultato si può ottenere per es. aumentando la velocità di raffreddamento e introducendo nel fuso germi di cristallizzazione, e anche con successivi trattamenti termici di vario tipo. Per i metalli refrattari in particolare la formatura si ottiene attraverso il processo di pressatura e successiva sinterizzazione di polveri (metallurgia delle polveri) che permette un buon controllo della microstruttura. Si consideri inoltre che gli elementi metallici di base quando ottenuti, attraverso il processo di estrazione e raffinazione, allo stato di polveri presentano di solito un più elevato grado di purezza. La buona lavorabilità dei metalli per estrusione, laminazione, trafilatura, ecc., è dovuta alla loro capacità di deformarsi plasticamente all'aumentare della temperatura. In genere i m. metallici, specie refrattari, presentano una scarsa resistenza all'ossidazione, e questo rappresenta un notevole svantaggio negli impieghi alle alte temperature richieste sempre più frequentemente dai settori tecnologici avanzati. Lo sviluppo delle tecniche di trattamento ha portato alla lavorazione di metalli in forma di fibre sottili e filamenti monocristallini praticamente privi di difetti (whiskers), che presentano resistenza a trazione molto accresciuta e servono da elementi rinforzanti nei m. compositi, e ha consentito altresì la realizzazione di leghe metalliche amorfe ottenute per solidificazione rapida.

Nuove leghe ad alte prestazioni sono state messe a punto in campo aerospaziale, dove è importante un elevato rapporto resistenza/peso e buona resistenza alla corrosione a elevate temperature; per tali applicazioni sono stati sviluppati m. superleggeri e superresistenti come leghe a base di titanio-alluminio, nichel-alluminio e, più recentemente, leghe alluminio-litio, composti intermetallici per parti strutturali dei motori a turbina, compositi a matrice metallica. Al riguardo è bene ricordare che un aumento della temperatura di funzionamento della turbina fa aumentare il rendimento termodinamico con conseguente risparmio energetico. Per questi m., che rispondono ai requisiti di leggerezza e resistenza e potrebbero sostituire in futuro le leghe e le superleghe tradizionali, c'è ancora da sviluppare molta scienza di base prima di arrivare a una tecnologia di fabbricazione completamente matura. Tra i m. innovativi prodotti dalla scienza dei m. metallici ricordiamo le leghe metalliche a memoria di forma, che possono essere annoverate tra i m. cosiddetti intelligenti e trovano applicazione come sensori e attuatori. Si tratta di leghe speciali (per es. NiTi) dalle insolite proprietà meccaniche, in quanto, dopo aver subito una deformazione, possono recuperare la forma originale a seguito di riscaldamento. Questo comportamento è connesso con una trasformazione di fase allo stato solido di tipo martensitico.

Materiali ceramici. − I m. ceramici possono essere definiti m. inorganici essenzialmente non metallici. Questa classe di m. comprende numerosissimi composti di varia natura, generalmente ossidi più o meno complessi, ma anche carburi, nitruri, ossinitruri, boruri, siliciuri e calcogenuri (esempi sono i solfuri di molibdeno, titanio, cerio, che si annoverano tra i m. ceramici avanzati o neoceramici). La grafite, per il carattere non metallico, la refrattarietà, i processi di lavorazione, è l'unico elemento che viene considerato come un ceramico. Oltre alla più variata composizione chimica i m. ceramici possono presentare struttura cristallina e anche amorfa (vetri e ceramiche vetrose) e legami chimici tra i più forti, essendo di tipo ionico, covalente o ibrido ionico-covalente. Il tipo di struttura e di legame chimico, nonché di microstruttura ottenuta con il processo di formazione, determinano le proprietà caratteristiche dei m. ceramici: peso specifico relativamente basso, elevata durezza, resistenza alle alte temperature, inerzia chimica; una proprietà meccanica negativa e caratteristica è la fragilità e la scarsa tenacità a frattura (fattore limitante nell'impiego sotto sforzo da imputare a difetti a livello di microstruttura come porosità, microcricche, impurezze).

Altra caratteristica dei ceramici è quella di essere isolanti termici ed elettrici; tuttavia ad alte temperature alcuni (per es. le soluzioni solide di ossido di zirconio, β−allumina con alcalini e alcalini terrosi) possono diventare conduttori ionici, proprietà utile, questa, che li indica come elettroliti ceramici. Certi m. ceramici come le ferriti hanno eccellenti proprietà magnetiche e bassa conducibilità elettrica, altri come i titanati di bario e stronzio, o di piombo e zirconio, hanno proprietà ferroelettriche e piezoelettriche. Per tutta questa gamma di proprietà i m. ceramici sono idonei alle più varie funzioni e impieghi: meccanico-strutturali, termici, elettrici, ottici, nucleari.

I ceramici tradizionali sono a base essenzialmente di argilla, silice e feldspato, cioè componenti di origine minerale, mescolati in varie composizioni. Alcuni sono noti fin dall'antichità, altri sono stati e sono tuttora impiegati come m. tecnici nello sviluppo industriale. Esempi sono i mattoni refrattari, le porcellane vetrose e non vetrose, per usi domestici e sanitari, ma anche per impieghi tecnici come le cosiddette porcellane elettriche.

I ceramici avanzati o high-tech (ad alta tecnologia) sono invece costituiti da m. preparati per sintesi, normalmente in forma di polveri di purezza e dimensioni submicrometriche accuratamente controllate e usati da soli o in combinazione per ottenere i prodotti. Esempi sono allumina (Al₂O₃), zirconia (ZrO₂), carburo di silicio (SiC), nitruro di silicio (Si₃N₄), SIALON (una combinazione di nitruro di silicio e allumina a stechiometria variabile). Questi composti hanno applicazioni principalmente di tipo meccanico-strutturale. I titanati di bario (BaTiO₃), di piombo (PbTiO₃), il titanato zirconato di piombo e lantanio (PLZT) per le proprietà elettriche trovano applicazione come condensatori e trasduttori. Nelle tecnologie nucleari gli ossidi di uranio (UO₂) e torio (ThO₂) costituiscono gli elementi di combustibile, mentre la grafite, il carburo di silicio, l'allumina hanno funzioni di schermo del flusso neutronico e anche strutturali per la loro resistenza ad alte temperature.

Le polveri ceramiche ad alta purezza sono prodotte con diversi metodi chimici e fisici: per precipitazione da soluzioni e successiva evaporazione del solvente e calcinazione, per reazioni di decomposizione in fase gassosa indotte da plasma e laser, o semplicemente per pirolisi, per reazioni solido-solido o gas-solido ad alte temperature. Il processo di fabbricazione dei prodotti ceramici in forme finite o quasi-finite si basa essenzialmente sul consolidamento delle polveri e successiva sinterizzazione a temperature più o meno elevate, e meno spesso sulla fusione e solidificazione (nel caso dei vetri e della crescita di monocristalli da fase liquida). Attualmente la ricerca al livello di sintesi e trattamento tende a sviluppare ceramici con bassa concentrazione di difetti con l'intento di diminuirne la fragilità.

Per i ceramici avanzati sono entrate in uso tecniche progredite come il pressaggio isostatico a caldo (HIP) che combina l'azione di alta temperatura e alta pressione uguale in tutte le direzioni e la deposizione chimica da fase vapore (CVD) per rivestimenti ceramici. Una tecnologia di processo che sembra promettente per il futuro si basa su reazioni di sintesi autosostenute ad alta temperatura (SHS, Self-propagating High-temperature Synthesis) in cui il calore rilasciato nella reazione esotermica tra i componenti viene utilizzato per la formazione e la parziale densificazione del composto ceramico. Una via per migliorare il comportamento termomeccanico oggi perseguita è quella di rinforzare la matrice strutturale ceramica con fibre anch'esse di m. ceramico.

I progressi nella sintesi delle polveri e nella tecnologia di processo, in gran parte guidati dalla scienza chimica, portano a ceramici ad alte prestazioni (generalmente a base di nitruro e di carburo di silicio, di ossidi di zirconio e di allumina) che nei prossimi decenni dovranno sostituire le leghe metalliche come m. strutturali nelle macchine termiche, nei motori diesel, nei motori a turbina e negli scudi termici dei veicoli aerospaziali e in altre applicazioni ove si richiede resistenza a usura e inerzia chimica a temperature oltre 1500 °C. I benefici sono: più efficiente conversione energetica, risparmio di combustibile, maggiore durata dei manufatti. In definitiva benefici economici.

Un recente risultato della scienza dei m. ceramici è rappresentato dagli ossidi ceramici superconduttori ad alta temperatura critica. La scoperta (1986) della superconduttività in una nuova classe di ossidi metallici a base di lantanio e rame a struttura perovskitica, con temperatura di transizione di circa 30 K (−243 °C), superiore a quella massima mostrata dalle leghe metalliche a base di niobio, ha fatto meritare agli autori J.G. Bednorz e K.A. Müller (v. in questa Appendice) il riconoscimento del premio Nobel nel 1987 e ha aperto la strada a una straordinaria attività di ricerca di base e applicata documentata da migliaia di pubblicazioni scientifiche e da brevetti industriali. Sono state create diverse famiglie di ossidi superconduttori a molti componenti con temperature critiche crescenti passando dai composti Y-Ba-Cu-O ai composti Bi-Ca-Sr-Cu-O, fino a Tl-Ca-Ba-Cu-O che mostra una temperatura critica di circa 125 K (−148 °C). Grandi speranze vengono riposte nella prossima fabbricazione di cavi superconduttori ad alta densità di corrente, per magneti potenti e trasporto di corrente senza perdite ohmiche.

Polimeri. − Le proprietà dei polimeri dipendono in gran parte dal modo in cui le catene molecolari sono strutturate. Le catene macromolecolari possono essere tenute insieme da deboli legami tipo van der Waals oppure da catene molecolari più corte a formare una struttura reticolata in cui predominano forti legami covalenti. I m. polimerici si trovano prevalentemente allo stato amorfo, ma si può avere anche una struttura cristallina.

I m. polimerici, e quindi le materie plastiche, sono divisi in due tipi: termoplastici e termoindurenti. I termoplastici, a motivo della loro struttura macromolecolare lineare, possono essere portati allo stato di rammollimento per riscaldamento e indurire per successivo raffreddamento in modo reversibile. Esempi di polimeri termoplastici sono: polietilene, polipropilene, cloruro di polivinile (PVC), poliammidi (Nylon). I polimeri termoindurenti, una volta stampati in una forma rigida per riscaldamento sotto pressione, non possono più essere riportati allo stato di rammollimento. Questo comportamento deriva dalla struttura reticolare tridimensionale. Esempi sono le resine epossidiche (Araldite), le resine fenoliche (Bachelite) e le resine poliestere che sono impiegate come matrice polimerica nelle plastiche rinforzate e nei m. compositi. I processi di formazione dei manufatti a partire dal m. polimerico allo stato di rammollimento sono lo stampaggio per iniezione e per estrusione. Per il tipo di struttura e di legame chimico i polimeri sono normalmente isolanti elettrici e termici. Le materie plastiche avanzate possono competere con i metalli come m. strutturali per determinate caratteristiche quali l'elevato rapporto resistenza/peso, la resistenza agli agenti chimici, il basso costo di processo. I limiti sono: temperature d'impiego relativamente basse (non superiori a circa 300 °C) e una certa tendenza alla degradazione per effetto combinato di ossigeno, calore o radiazione ultravioletta. Perciò al polimero vengono aggiunti agenti stabilizzanti. Esse trovano il più diffuso impiego come parti esterne nei settori di mercato automobilistico, elettrico ed elettronico, delle costruzioni (per es. tubazioni), dell'imballaggio.

I progressi nella ricerca a livello di processo hanno portato alla produzione di polimeri conduttori. Un polimero diventa conduttore quando viene drogato con molecole inorganiche e organiche modificando così la struttura e le proprietà. I polimeri conduttori sono considerati m. innovativi per le loro funzioni e trovano impiego come elettroliti nelle batterie ricaricabili, nei sensori chimici e, potenzialmente, come biomateriali. Essi uniscono le proprietà tecnologicamente importanti delle materie plastiche e alcune proprietà dei metalli come l'elevata resistenza meccanica e, appunto, la conducibilità elettrica. Recentemente sono stati creati polimeri con proprietà di semiconduttori. Esempi di questi nuovi polimeri dalle peculiari proprietà elettriche sono il polipirrolo, la polianilina, il poliacetilene.

Materiali compositi. − I compositi sono m. strutturali costituiti da una matrice plastica in cui viene immerso un m. di rinforzo in forma di fibre discrete o continue, lamine, particolati; i materiali componenti esistono come fasi separate nel m. finale. La natura e la distribuzione delle fasi componenti controllano le proprietà meccaniche e fisiche del composito, che sono generalmente superiori a quelle dei m. costituenti. Possibili classificazioni dei compositi tengono conto delle caratteristiche funzionali, della geometria (specialmente del m. di rinforzo), del tipo di preparazione. Spesso è il tipo di matrice utilizzata che designa in pratica la categoria del composito. I metodi di preparazione più usati sono per mescolamento termomeccanico del m. di rinforzo nella matrice o per un processo di separazione di fase in situ. Il processo di formazione di questa classe di m. artificiali comporta un alto contenuto di scienza e d'ingegneria. Tra l'altro sono stati sviluppati modelli teorici capaci di fornire previsioni di massima sul comportamento meccanico e anche chimico (rigidità, resistenza a trazione, grado di anisotropia, e anche resistenza al calore, inerzia chimica, ecc.) di un composito in funzione della proprietà dei m. costituenti, e orientare così il processo di formazione.

I compositi carbonio-carbonio (C/C) sono costituiti da una matrice di carbonio amorfo rinforzata con fibre di carbonio le cui caratteristiche variano con il processo di preparazione. I compositi a matrici polimeriche (PMC) rinforzate con fibre organiche e inorganiche hanno una vastissima applicazione come m. strutturali, ma trovano un limite negli impieghi a temperature superiori a 200÷300 °C. Al contrario i compositi C/C conservano un'eccellente resistenza meccanica fino a temperature molto alte, oltre 2000 °C, ma sono poco resistenti chimicamente in atmosfere ossidanti. I compositi PMC più avanzati e i compositi C/C trovano soprattutto applicazione nel settore aerospaziale ma anche nel settore delle attrezzature sportive e, nel caso specifico dei compositi C/C, in bioingegneria per la loro eccellente biocompatibilità. L'evoluzione di questa classe di m. ha portato più recentemente allo sviluppo di compositi a matrice ceramica (CMC) e a matrice metallica (MMC) per quelle applicazioni, specie nel settore aerospaziale di uso militare, dove i m. strutturali impiegati devono avere caratteristiche di bassa densità, elevata resistenza meccanica e chimica ad alte temperature. Nei compositi CMC che trovano impiego a temperature di 1000÷2000 °C la matrice può essere di vetro borosilicato, allumina, carburo di silicio, nitruro di silicio; il rinforzo può essere costituito da fibre di carbonio, allumina, fibre e whiskers di carburo di silicio. Nei compositi MMC la matrice, prevalentemente di alluminio ma anche di titanio e di leghe metalliche leggere, ingloba fibre di boro, di carbonio o carburo di silicio, di allumina. Un impiego importante è nei componenti di motori a turbina per aerei.

In definitiva, lo sviluppo della nuova scienza dei m. è andata di pari passo con lo sviluppo tecnologico e la domanda di nuovi materiali. L'evoluzione nelle tecniche di sintesi e di trattamento, nonché una conoscenza sempre più approfondita delle interrelazioni tra struttura, proprietà e processo portano alla fabbricazione di m. dotati esattamente delle caratteristiche volute, impensabili solo qualche decina di anni fa. Esempi tra i tanti nuovi m. sono i superconduttori ceramici, i polimeri elettroconduttori, le strutture composite ad alte prestazioni, i metalli amorfi, le leghe metalliche a memoria di forma. Recentemente i chimici e i fisici hanno sintetizzato e caratterizzato una terza forma allotropica di carbonio, oltre al diamante e alla grafite, che esiste come molecole a simmetria sferica note come fullereni (v. in questa Appendice), che sembrano offrire straordinarie potenzialità applicative (drogati con metalli mostrano proprietà di superconduttori). La capacità di progettare e realizzare m. su misura per specifiche applicazioni sarà sempre più importante per promuovere la nascita di nuove tecnologie e affrontare con successo vari problemi economici, strategici, ecologici.

Bibl.: Annual Review of Materials Science, 5 (1975), 12 (1982), 13 (1983), 17 (1987); W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to ceramics, New York 1976²; P. Bracke, H. Schurmans, J. Verhoest, Inorganic fibres and composite materials, Oxford 1984; Le Scienze, ed. it. di Scientific American, 37, 220 (1986); Advancing materials research, a cura di P.A. Psaras e H.D. Langford, Washington 1987; Research and development of high temperature materials for industry, a cura di E. Bullock, Londra 1989; Materials principles and practice, a cura di C. Newey e G. Weaver, Buttherworth 1990; Structural materials, a cura di G. Weidmann, P. Lewis, N. Reid, ivi 1990; Scienza e tecnica 90/91, Milano 1990; Advanced materials: outlook and information requirements, US Bureau of Mines Information Circular 9274, Washington 1990; R.F. Pizzinotto, J.L. Marshall, in Journal of Materials Education, 12 (1990), pp. 109-22; Materials chemistry at high temperature, i. Characterization, ii. Processing and performance, a cura di J.W. Hastie, Clifton (N.J.) 1990; A.S. Blicblau, in Journal of Materials Education, 13 (1991), pp. 329-50; Chemical synthesis of advanced ceramic materials, a cura di A.R. West, Cambridge 1991; J.H. Sharp, Ceramics: old and new, in Ceramics, giugno 1991; Le Scienze, 47, 280 (1991); Technology Review, 5 (1992); K. Sato, in Physics world, 5 (1992), pp. 37-40; J.D. Lee, in Education in chemistry, 29 (1992), p. 39.