Le innovazioni relative ai materiali e alla tecnologia dei materiali hanno sempre influenzato la storia dell'umanità. Potremmo ora assistere all'inaugurazione di una nuova era dal punto di vista tecnologico, con l'introduzione di tecnologie che renderanno possibili prodotti e funzioni assolutamente inimmaginabili in passato.
L'industria richiede continuamente materiali più leggeri, tenaci, sottili e densi, più flessibili o più rigidi, resistenti al calore e all'usura. Di pari passo, i ricercatori spingono sempre più in là i confini dell'immaginabile, cercando di migliorare e ottimizzare i materiali esistenti e inventando materiali completamente nuovi che, benché siano ancora lontanissimi dal poter essere utilizzati nella vita quotidiana, rappresentano comunque l'inizio di percorsi tecnologici completamente nuovi.
Il cielo è l'unico limite
Guardando alle ricerche che si stanno conducendo oggi, sembra che la scienza applicata dei materiali si stia muovendo in direzioni quasi fantascientifiche. L'incombente diminuzione delle risorse ci impone di ricercare innovazioni e approcci non convenzionali. Sul fronte dei materiali, i compositi con caratteristiche utili come leggerezza, elevata robustezza e durevolezza sembrano destinati a conquistare una quota di mercato sempre più ampia, e molti di essi saranno probabilmente ricavati da risorse rinnovabili, man mano che ve ne sarà la necessità. Sicuramente il materiale più promettente in questo campo è il grafene.
Il grafene è un materiale dello spessore di un solo atomo (un milione di volte più sottile di un capello umano), ma 200 volte più resistente dell'acciaio in peso, estremamente flessibile, superleggero e quasi trasparente, con un'elevata conducibilità termica ed elettrica. Insomma, un materiale leggendario, una sorta di pietra filosofale.
Infatti, un team di ricercatori dell'Università Nankai di Tientsin in Cina ha recentemente scoperto che una spugna di grafene può trasformare la luce in energia, un ulteriore passo avanti per la realizzazione di una navicella spaziale funzionante a energia solare, totalmente senza carburante.
La rivoluzione del grafene è vicina
Il grafene fu scoperto quasi per caso dai professori Andre Geim e Kostya Novoselov dell'Università di Manchester, che nel 2004 conducevano esperimenti con matite e nastro adesivo. Nel 2010, grazie alle loro ricerche sul grafene, Geim e Novoselov hanno vinto il premio Nobel per la fisica e l'Unione europea ha stanziato un miliardo di euro per finanziare il progetto Graphene Flagship, un'iniziativa mirata ad accelerare lo sviluppo di soluzioni applicabili a livello commerciale. Il grafene ad esempio potrebbe trovare applicazione in campi come la depurazione dell'acqua e l'accumulo di energia, la produzione di articoli casalinghi, computer e altri dispositivi elettronici. Nel frattempo, i brevetti relativi al grafene sono in continuo aumento, ma la diffusione di questo materiale a livello industriale è ancora limitata a causa dei costi di produzione. La situazione potrebbe però cambiare velocemente. Un team di ricercatori dell'Università di Glasgow ha trovato il modo di produrre grandi fogli di grafene a un costo circa 100 volte inferiore rispetto al metodo di produzione precedente.
Questo sviluppo, ad esempio, potrebbe portare alla produzione di una cute sintetica in grado - per mezzo di sensori - di ridare la sensibilità ai portatori di protesi d'arto, ma questa è solo una delle infinite applicazioni che potrebbero derivarne. “Si potrebbe realizzare una superficie conduttiva ultraflessibile per donare ai portatori di protesi una sensibilità oggi assolutamente impossibile, anche con le protesi più all'avanguardia” dichiara il Dr. Ravinder Dahiya, coordinatore del team di ricerca dell'Università di Glasgow.
È la fine dei metalli?
I metalli hanno dominato l'industria, definendo anche molti periodi della storia dell'umanità. Con un uso così prolungato, abbiamo accumulato un enorme bagaglio di informazioni ed esperienze, ma scienziati e ricercatori continuano a lavorare per ampliare ulteriormente il campo di applicazione di questi materiali. I nanomateriali sono tra i materiali più studiati, e stanno contribuendo a migliorare i metalli e a inaugurare nuovi campi applicativi. Le ricerche relative ai nanocompositi a matrice metallica, ossia compositi costituiti principalmente da nanoparticelle o nanotubi di carbonio, potrebbero aprire prospettive completamente nuove dal punto di vista della riduzione del peso nel settore aerospaziale, con vantaggi anche sul piano della robustezza e della rigidezza.
Se si rompe, si riparerà da solo
Grazie ai nanocompositi si potranno anche realizzare materiali in grado di ripararsi da soli, proprio come fa il corpo umano, che guarisce da sé. Un team di ricercatori dell'Autonomous Materials Systems Group del Beckman Institute dell'University of Illinois sta lavorando a materiali compositi in fibra con capacità di autoguarigione. Il processo di produzione si basa sull'utilizzo di agenti curativi che vengono rilasciati in caso di rilevamento di un difetto e in seguito si mescolano e polimerizzano.
“I materiali che guariscono da soli stanno per diventare realtà”, dichiara lo scienziato dei materiali Mark Miodownik. Per ora tuttavia siamo ancora ben lontani dalla fattibilità economica, anche se questi sviluppi sono tecnicamente possibili. Tra non molto si potrà riparare immediatamente qualsiasi cosa, dalle ali di un aeroplano ai telai delle biciclette, ai componenti delle automobili che sono fondamentali sia per la sicurezza del veicolo che dei passeggeri. Ciò avrà un impatto enorme sullo sviluppo, il ciclo di vita e la sostenibilità dei prodotti. I ricercatori stanno anche lavorando a materiali che permetteranno a una ferrovia di autoripararsi, anziché rimanere in attesa di un team di manutenzione sovraccarico di lavoro e a corto di personale.
Prestazioni che surclassano la natura
Per migliaia di anni la scienza dei materiali ha fatto progressi grazie a una serie di scoperte casuali di materiali esistenti in natura. Oggi i ricercatori non guardano più soltanto a ciò che è già presente nel mondo naturale: combinano vari materiali tradizionali o parti di materiali concentrandosi sulla struttura o sui modelli intrinseci per creare proprietà che non esistono in natura, o che non sono state ancora scoperte.
Questi studi, ad esempio, hanno portato alla creazione di una pellicola antibatterica a squame, che imita la pelle degli squali. Questo micropattern, denominato Sharklet, impedisce l'annidamento e la trasmissione dei batteri ed è stato sviluppato specificamente per ambienti come ospedali e strutture sanitarie.
Altre innovazioni riguardano anche l'invisibilità. I fisici di vari paesi stanno lavorando a metamateriali che avrebbero la potenzialità di rendere invisibili gli oggetti deviando le radiazioni elettromagnetiche (e quindi la luce) attorno agli oggetti, per creare l'illusione che non si trovino lì.
Il fattore chiave è la sostenibilità
La scarsità delle risorse e la sostenibilità probabilmente saranno fattori trainanti che determineranno le direzioni di sviluppo della scienza dei materiali e dei nuovi materiali, come anche le migliorie relative ai materiali esistenti. In questo campo, ad esempio, i materiali per l'edilizia come i pannelli che assorbono la luce potrebbero contribuire a contrastare il riscaldamento globale.
È evidente che stiamo per entrare in una nuova era, caratterizzata non solo dalla digitalizzazione e dall'Internet delle cose, ma soprattutto dai nuovi materiali, materiali che possono renderci il futuro più semplice, sicuro e sostenibile. Il cielo è davvero l'unico limite.
