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Il Sistema delle tre età – l’età della pietra, l’età del bronzo e l’età del ferro – è comunemente usato per formare una cronologia delle società umane della preistoria e per marcare l’evoluzione delle conoscenze che sono servite per rendere possibile la realizzazione di manufatti e di tutte le attività umane, dall’arte alla guerra. Con un’analogia, potremmo connotare il tempo presente come l’età del silicio per l’ubiquità di questo materiale nelle moderne tecnologie, ma sarebbe una scelta riduttiva e già obsoleta. Ben più vasto è il patrimonio di conoscenze e di strumenti che la fisica, la chimica, la biologia e l’ingegneria ci mettono a disposizione per la progettazione e la realizzazione di materiali non già esistenti in natura. In un certo senso, il processo è stato invertito rispetto a quello di quando si utilizzano i materiali naturali: si parte da una certa esigenza sorta nell’ambito delle applicazioni in elettronica o nelle telecomunicazioni, in chimica o in medicina, perfino in edilizia e si mettono all’opera tutti gli strumenti della scienza moderna. A questo approccio multidisciplinare è stato assegnato il nome di nanotecnologia, sia nel catalogo della ricerca scientifica che nella comunicazione al pubblico. Gli strumenti di cui questa disciplina si avvale vanno dalla meccanica quantistica, utilizzata nella definizione di modelli e nell’interpretazione dei risultati sperimentali, alle tecniche più sofisticate per le indagini sulle strutture create con un dettaglio sulla scala atomica.
Un’elencazione – ben lungi dall’essere esaustiva –
dei risultati concreti già raggiunti dal lavoro svolto nei laboratori di ricerca può includere: (a) sensori per il controllo ambientale e per la biomedicina (i cosiddetti lab-on-a chip); (b) materiali per uso biomedico e protesico; (c) nuovi farmaci e metodi di somministrazione; (d) visori e display (ad. Esempio gli schermi OLED e QLED dei moderni apparecchi TV); (e) sistemi di illuminazione e di sfruttamento dell’energia solare (ad es. le celle solari organiche o ibride).
Su un altro versante, i materiali, in particolare quelli considerati strategici, giocano un ruolo chiave in un mondo problematico e conflittuale come quello attuale nella rincorsa verso la supremazia dei Paesi più forti; questi materiali vengono estratti dalle ricchezze minerarie possedute dal Paese. La Cina si trova in una condizione di privilegio poiché produce oltre il 60% degli elementi rari oltre a un’ampia gamma di altri elementi tecnologicamente strategici. Altro esempio: il Congo produce il 63% del Cobalto che è un elemento necessario per la produzione delle batterie al litio. Purtroppo, questo paese, ricco di minerali, è anche paese dissanguato da conflitti e guerre interne. Le condizioni di lavoro nelle miniere di estrazione non sono rispondenti a codici etici e di condotta come quelli a cui si usa aderire nei Paesi occidentali. Possiamo quindi dire che la nostra storia, in qualche modo, è stata segnata dall’evoluzione dei materiali che hanno accompagnato e accompagnano oggetti e tecnologie che utilizziamo da sempre.
Renato Bozio (nato a Venezia il 31/05/1947) è professore emerito di Chimica Fisica dell’Università degli Studi di Padova. Ha insegnato Chimica Fisica e Scienza dei materiali nei corsi di Laurea di Chimica e Chimica Industriale, nella laurea in Scienza dei Materiali e nel dottorato di ricerca di Scienza e Ingegneria dei Materiali e delle Nanostrutture. Le sue ricerche hanno riguardato materiali organici e nanostrutture utilizzando tecniche di spettroscopia ottica e laser alcune delle quali ha introdotto per la prima volta a Padova. È stato Prorettore con delega alla ricerca nella sua Università dal 2000 al 2010; Preside della Facoltà di Scienze mm.ff.nn. dal 2010 al 2012; membro del Consiglio di Amministrazione dal 2102 al 2017.
Se ci guardiamo intorno e pensiamo a tutti gli oggetti diversi che vediamo, ci accorgiamo che sono davvero tanti. E se pensiamo ai materiali di cui sono fatti gli oggetti, ci accorgiamo che siamo circondati da tantissimi materiali diversi!
di Agnese Sonato (redazione)
Legno, metallo, carta, stoffa, plastica, vetro. Ecco alcuni materiali che troviamo tutti i giorni intorno a noi. Il materiale è quello di cui è fatto ciascun oggetto e che dà all’oggetto precise proprietà. Ad esempio una palla, per funzionare bene, non può essere fatta di vetro: dovrà essere fatta con un materiale che le permetta di resistere a urti e lanci e che la faccia rimbalzare… come un certo tipo di plastica. E un materiale ha certe proprietà per come è fatto. Tutti i materiali sono formati da gruppi di elementi chimici che, combinati in un certo modo, creano strutture che non vediamo a occhio nudo. Proprio gli gli elementi chimici, insieme alla loro struttura finale, danno le proprietà al materiale.
Siamo ogni giorno circondati da tanti materiali, ad esempio il legno, o il metallo… ma quali sono le parole giuste per descriverli? Possiamo classificare i materiali in base a diverse proprietà: ad esempio per come si comportano quando subiscono delle forze, quando vengono attraversati dall’elettricità, o quando ricevono calore.
Alcune delle proprietà dei materiali sono definite dal modo in cui rispondono quando subiscono una forza. Ad esempio, quando schiacciamo con un dito sopra a un pezzo di pongo o a un pezzo di legno, stiamo applicando una forza. In questo caso, il pongo cambia forma, mentre il legno rimane così com’è. Esistono anche altri modi per applicare una forza: ad esempio, tirare un elastico per capelli, o spezzare uno spaghetto crudo.
Mentre applichi una forza ad un materiale elastico, il materiale cambia forma; appena smetti di applicare la forza, il materiale elastico torna alla sua forma iniziale. Facciamo un esempio: quando tiri un elastico per capelli, riesci ad allungarlo, e quando schiacci la molla che si trova dentro le penne biro, questa si accorcia. Appena smetti di tirare o schiacciare, l’elastico e la molla tornano ad essere lunghi come prima, come se non fosse successo niente. Esistono dei materiali che reagiscono proprio in questo modo, ad esempio, la gomma, con cui vengono fatti gli pneumatici delle auto.
Prova a tirare un elastico e poi lascialo andare... cosa osservi?
Ecco alcuni esempi di molle
di Matteo Serra (fisico e divulgatore scientifico)
Qual è il materiale più leggero? Quello più raro? Quello più duro?
Scopriamo insieme i materiali dalle proprietà… estreme!
Per molto tempo, il diamante è stato considerato il materiale più duro e resistente in natura, ma non è esattamente così. Qualche anno fa, in un’università australiana è stato scoperto un materiale incredibilmente resistente, presente in alcune meteoriti: si chiama “lonsdaleite” ed è simile al diamante, ma con una forma cristallina un po’ diversa, a forma di esagono. La sua durezza è incredibile, decisamente più alta di quella del diamante, tanto che la lonsdaleite può essere considerata la sostanza più dura dell’universo.
Un blocco di aerogel (Credits: NASA/JPL-Caltech)
Il materiale più sottile
Nel 2010, i fisici André Geim e Konstantin Novoselov scoprirono un materiale straordinario e incredibilmente sottile: il grafene. È composto da un solo strato di atomi di carbonio, disposti in modo da formare delle piccole celle esagonali. Il grafene è un eccellente conduttore sia dell’elettricità sia del calore, è flessibile e allo stesso tempo molto robusto.
Il materiale più leggero
Nel 1931, l’ingegnere chimico Steven Kistler scoprì l’aerogel, un materiale leggerissimo e poroso. Nonostante sia solido, è composto quasi esclusivamente da bolle d’aria, un po’ come le meringhe preparate dai pasticceri. Grazie alle sue caratteristiche, è un eccellente isolante termico e viene sfruttato in molti campi, come l’edilizia e le applicazioni spaziali.
Ecco il disegno di uno strato di grafene: ogni piccola sfera rappresenta un atomo di carbonio e gli atomi di carbonio si mettono in modo da formare tanti esagoni.
Computer, tablet, smartphone sono oggetti cosiddetti “elettronici”. Ma di che cosa sono fatti? Quali sono i materiali e le strutture che permettono a tutti questi oggetti di funzionare? Chi li progetta e costruisce è molto attento ai materiali da usare e a come questi materiali vanno combinati tra di loro. Andiamo a scoprire insieme il mondo dei materiali nell’elettronica!
di Renato Frison (fisico)
Immagini dai colori vivaci e brillanti visibili su schermi di televisori o addirittura pellicole in plastica arrotolabili… Tutte cose che oggi sono di uso comune grazie alla tecnologia dei LED, dall’inglese “Light Emitting Diodes”, cioè “diodi che emettono luce”. I LED sono sorgenti luminose minuscole e davvero affascinanti!
Per realizzare un LED è necessario combinare due speciali materiali: un semiconduttore chiamato “di tipo n” e uno “di tipo p”. Di che si tratta? Il primo è un materiale particolarmente ricco di elettroni mentre il secondo ha molti “posti vuoti”, detti “buche” o “lacune”, che possono ospitare elettroni. Unendo questi due semiconduttori e collegandoli ad esempio ad una pila, è possibile “spingere” gli elettroni del semiconduttore n nelle buche del p. Quando un elettrone cade all’interno di una buca si genera un piccolo lampo di luce di un determinato colore. In un secondo questo fenomeno avviene tantissime volte, e grazie ai molti brevi lampi che si generano, noi vediamo il LED accendersi.
I LED rossi e quelli verdi sono noti da tempo, mentre quelli blu sono più recenti: la loro scoperta ha richiesto molti anni di lavoro ai ricercatori giapponesi Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura, ma gli ha permesso di vincere il premio Nobel per la Fisica nel 2014.
I semiconduttori non sono gli unici materiali con i quali si può costruire una sorgente luminosa LED: utilizzando speciali molecole organiche i “diodi organici” detti “O-LED”. Il principio di funzionamento è molto simile a quello dei LED, e come questi anche gli O-LED hanno numerosi vantaggi: riproducono colori molto vivaci, richiedono poca corrente per funzionare, hanno tempi di accensione e spegnimento molto rapidi. A differenza dei LED, gli O-LED sono però molto più sottili e possono essere applicati al vetro oppure a fogli di plastica, permettono così di creare degli schermi piatti, curvi o addirittura pieghevoli. Possono perfino essere usati nei tessuti, per creare abiti che si illuminano e cambiano colore!
O-LEDs viene dall’inglese “Organic Light Emitting Diodes”
di Verena Weber (scienziata dei materiali)
Quante volte ti capita di toccare uno schermo, sapendo che succederà esattamente quello che vuoi? Questi speciali schermi sono detti touch screen, cioè “schermi sensibili al tocco”, e per usarli non ti servono mouse e tastiera! Ma come funzionano esattamente?
Nella vita di tutti i giorni può capitarci di utilizzare diversi tipi di questi schermi. Quelli più diffusi sono di due tipologie, chiamate touch screen “resistivo” e “capacitivo”. Il touch screen resistivo è meno preciso e per questo meno usato. Lo si può ancora trovare in alcuni schermi interattivi, ad esempio, nei musei. In questo caso, per far fare qualcosa allo schermo bisogna premere con il dito. Con il touch screen capacitivo, invece, basta sfiorare la superfice per avere una risposta. Questa è la tecnologia più utilizzata nei dispositivi moderni, come lo smartphone e il tablet.
TOUCH SCREEN RESISTIVO
Il touch screen resistivo è formato da due strati sovrapposti che non si toccano. Di solito, quello esterno è fatto di un materiale plastico flessibile, mentre quello interno è più rigido, fatto in genere di vetro. Le due facce che si guardano sono ricoperte da un sottile strato di ossido metallico, un materiale in grado di far passare la corrente e sono tenute separate da dei piccoli “chiodini”. Quando premiamo sullo schermo, spingiamo lo strato esterno flessibile verso quello rigido. In questo modo, in quel punto, i due lati interni si toccano e producono un particolare segnale elettrico che fa “capire” allo schermo dove lo abbiamo toccato!
Difficoltà: di Agnese Sonato (redazione)
COSA MI SERVE:
• Una penna biro usata, che non funziona più
• Una spugna da cucina
• Dell’alluminio da cucina
• Uno smartphone
• Forbici
Sapevi che esistono dei materiali speciali, le cui dimensioni sono molto piccole e che proprio per questo si comportano in modo diverso dai materiali tradizionali? Stiamo parlando dei nanomateriali! A raccontarci come sono fatti e quali sono le loro applicazioni è il professor Alessandro Martucci, docente di scienza e ingegneria dei materiali presso l’Università degli studi di Padova.
Professore,innanzitutto vorremmo capire che cosa sono esattamente i nanomateriali e in quali forme li troviamo.
Sono materiali che hanno almeno una dimensione nell’ordine di misura del nanometro, ovvero diecimila volte più piccola dello spessore di un capello! Li possiamo trovare ad esempio in forma di sottilissimi fili, chiamati nanofili, oppure come minuscole “sferette” chiamate nanoparticelle. Questo indipendentemente dalla natura chimica del materiale: esistono infatti nanoparticelle metalliche ma anche di vetro e così via.
Che cosa hanno di speciale i nanomateriali?
Quello che li rende speciali è il fatto che le loro proprietà, come ad esempio il colore, possono essere diverse da quelle del materiale tradizionale e dipendono dalle dimensioni, dalla forma e da come è fatta la superficie. Facciamo un esempio: se vi chiedessi di che colore è l’oro, probabilmente mi rispondereste giallo. Le nanoparticelle d’oro possono però essere rosa, viola, rosse. In base alla loro dimensione cambia infatti il modo in cui il materiale interagisce con la luce, e quindi il colore che noi percepiamo. Eppure si tratta sempre di oro!
Dove possiamo trovare i nanomateriali?
Applicazioni dei nanomateriali ne esistono davvero tante, anche la natura è ricca di esempi! Prendiamo le farfalle tropicali Ulisse: le loro ali sono fatte di piccoli bastoncini lunghi pochi nanometri, disposti in gruppetti ordinati. Questa struttura, chiamata cristallo fotonico, riflette la luce in maniera particolare, donando loro una colorazione azzurro brillante. Perfino il latte altro non è che una soluzione colloidale, ovvero un liquido nel quale sono presenti delle nanoparticelle, in questo caso di un grasso chiamato caseina.
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Agnese Sonato (redazione)
Tutto quello che ci circonda è fatto con qualche materiale. Alcuni materiali li conosciamo bene, altri un po’ meno... e altri ancora nascondono curiosità che non immaginiamo. Andiamo alla scoperta dei materiali di cui siamo circondati ogni giorno.
Tutti questi oggetti hanno come materiale principale di cui sono composti… la carta! Per fare la carta si parte dal legno di alcuni alberi, tra cui eucalipto, faggio, pioppo, betulla, abete, pino, cipresso e sequoia. Dal legno viene preparata una polpa, cioè una pasta morbida, chiamata “polpa di legno” o “di cellulosa”. Il legno, infatti, è formato da quattro materiali: per quasi la metà da cellulosa, poi da emicellulosa, da lignina e da altri componenti tra cui le resine. Cellulosa ed emicellulosa sono dei polimeri, cioè catene molto lunghe di molecole messe una in fila all’altra, e formano le fibre del legno: strutture allungate (una sorta di fili lunghi e piccoli piccoli, visibili al microscopio) che sono tenute insieme dalla lignina. Per preparare la carta, come prima cosa, si toglie la corteccia al legno, lo si taglia in pezzettini e si prepara la polpa di legno o di cellulosa, una pasta che risulterà di colore marrone. Per arrivare alla carta bianca che immaginiamo la pasta viene sbiancata, poi lisciata e pressata per ottenere i fogli sottili e lisci. Si possono fare altri trattamenti per preparare fogli di carta colorata o per renderla, ad esempio, ruvida, ondulata e così via.
di Ilaria Ampollini (Storica della scienza, Università degli Studi di Milano Statale)
Gli elementi radioattivi sono elementi che emettono delle radiazioni. Queste radiazioni sono pericolose per il nostro corpo; se però vengono usate in modo controllato, sono molto utili. Per esempio, ci permettono di fare le radiografie e vedere il nostro scheletro. La stessa Marie Curie, durante la Prima Guerra Mondiale, affiancò medici e infermieri, cui insegnava a fare le radiografie ai soldati. Fu un cambiamento importantissimo per la medicina: prima di allora, non c’era modo di vedere problemi e fratture delle ossa!
Marie Curie morì proprio a causa del contatto prolungato con gli elementi radioattivi: all’epoca, infatti, non si sapeva ancora che potessero essere dannosi. Al contrario, si riteneva fossero miracolosi e che potessero curare qualsiasi malattia. Si diffuse una vera e propria radio-mania: venivano proposte addirittura lozioni a base di radio per far crescere i capelli o migliorare la pelle!
Nome: Maria
Sklodowska Curie
Nascita: 1867
Morte: 1934
Nazionalità: polacca
Marie Curie nacque a Varsavia, in Polonia (all’epoca parte della Russia), nel 1867. Desiderava studiare, ma in Polonia le donne non potevano iscriversi all’Università e andare all’estero era costoso. Fece allora un patto con una delle sue sorelle, Bronislawa. Bronislawa andò a Parigi e si iscrisse a Medicina: Marie le pagò gli studi, andando a lavorare come governante a casa di ricche famiglie russe. Appena possibile, Bronislawa ospitò Marie a Parigi e le permise di studiare matematica e fisica. A Parigi Marie conobbe Pierre Curie, che sarebbe diventato suo collega di laboratorio e poi, nel 1895, marito. Pierre e Marie Curie iniziarono presto a lavorare sulla radioattività, una particolare proprietà degli elementi individuata nel 1896 da Henri Becquerel. Scoprirono due nuovi elementi radioattivi (che si aggiunsero alla Tavola periodica di Mendeleev!): il polonio, che Marie volle chiamare così in onore della sua terra di origine, e il radio. Grazie a questi studi Marie Curie vinse due Premi Nobel: un premio Nobel per la fisica, assieme al marito e a Becquerel, e uno per la chimica. Fu così la prima donna a vincere un Nobel e la prima persona in assoluto a vincerne due in due discipline diverse.
Marie Curie con il padre e le sorelle
Nel corso della storia, gli esseri umani hanno imparato a costruire oggetti in grado di resistere alle sfide di tutti i giorni, senza rompersi o deteriorarsi in fretta. Dal secolo scorso, si è aperta anche la frontiera delle missioni spaziali! Qualunque cosa venga lanciata in orbita deve affrontare problematiche ben diverse da quelle a cui ci siamo abituati sulla Terra. Per scoprire quali sono le sfide più grandi in questo settore, abbiamo intervistato Donato Brusamento, ingegnere di Apogeo Space Srl, azienda italiana che produce satelliti.
Come si fa progettare qualcosa che dev’essere mandato nello spazio?
La progettazione coinvolge molti rami della scienza e della tecnica e richiede di essere in grado di organizzarsi, lavorare in gruppo, pensare a quali spese fare e gestire i costi. Si parte scegliendo la missione e decidendo come l’oggetto deve funzionare, quanto deve costare e cosa si vuole ottenere utilizzandolo. Si passa poi alla progettazione e alla costruzione, in cui vengono anche scelti i materiali adatti per svolgere la missione. Questa è la fase più divertente per un ingegnere!
Alla fine, vengono eseguiti i test per controllare che funzioni tutto e che la qualità sia adatta. Se tutto va bene, si arriva al lancio e alla missione vera e propria!
Quali sono le caratteristiche degli “oggetti” che oggi lanciamo nello spazio?
Satelliti e veicoli spaziali possono avere forma, dimensione e scopo molto diversi. Esistono satelliti molto grandi, lunghi oltre dieci metri e con un peso di migliaia di chili, ma anche satelliti piccolini, dal peso di uno o due chili. La dimensione del satellite dipende soprattutto dal tipo di strumenti che deve trasportare, dalla dimensione dei pannelli solari che utilizza per raccogliere energia, e dai meccanismi che servono per controllarlo mentre è in orbita.
Quali condizioni deve poter sopportare un oggetto quando viene lanciato in orbita?
Quando si trovano a bordo di un razzo per essere lanciati, satelliti e veicoli spaziali subiscono diverse forze meccaniche, alle quali devono resistere senza rompersi. Ad esempio, ci sono forti vibrazioni e scossoni causate dai motori. Anche l’effetto dell’aria sul razzo può essere molto violento.
Se pensiamo a quali materiali possiamo ricavare dal regno vegetale, la prima cosa che viene in mente è quasi sicuramente il legno. Ma… non è il solo! Andiamo a scoprire cosa si può ottenere dalla lavorazione di alberi e piante erbacee.
di Marco Barbujani (redazione) e Giacomo Mozzi (docente di matematica e scienze)
Il legno è un materiale naturale prodotto dagli alberi. Grazie alla crescita del legno, gli alberi possono diventare sempre più alti e portare l’acqua che le loro radici raccolgono nel terreno su in alto, fino all’ultima fogliolina. Se guardassimo il legno al microscopio, ci accorgeremmo che sembra formato da tante cannucce, di dimensioni diverse, unite insieme. Nonostante sia molto resistente, il legno è anche leggero (generalmente il legno galleggia in acqua) ed elastico, e può essere utilizzato per creare tantissime cose meravigliose che utilizziamo tutti i giorni. Infatti, può essere utilizzato “al naturale” o essere trattato con sostanze che lo proteggono e lo rendono più resistente nel tempo per costruire mobili, case, giocattoli, strumenti musicali e molto altro ancora!
Un super grazie alle classi che ci hanno aiutati a completare questo numero di PLaNCK! Le revisioni del “comitato dei piccoli” per questo numero sono arrivate dalle classi 4A, 4B, 4C e 5B della scuola Giuseppe Mazzini di Maserà di Padova.
Classe 4A
Classe 4B
Classe 5B
