Passerone: dalle polveri ceramiche colorate nuove possibilità nei manufatti

Direttore dell'Istituto di Chimica Fisica Applicata ai Materiali

La chimica dei materiali costituisce senza dubbio un campo d'azione molto vasto. Quali sono i settori di attività dell'ICFAM?

Le tematiche di ricerca iniziali dell'Istituto, quelle cioè svolte fino alla fine degli anni '60, erano relative ai catalizzatori e alla spettroscopia infrarossa. Queste hanno lasciato il posto, negli anni '70, allo studio delle proprietà dei materiali legate alle condizioni di applicazione e a quello della loro reattività in funzione della struttura chimico-fisica. Con gli anni '80 si è avuta una ridefinizione degli interessi che hanno portato a rivolgere una particolare attenzione agli aspetti microstrutturali e di progettazione dei materiali, al loro comportamento in ambienti non convenzionali.

In tale ottica vengono attualmente effettuati studi teorici, di tipo termodinamico e cinetico, che mirano alla definizione di modelli per interpretare e prevedere i comportamenti dei materiali. Accanto a ciò vengono svolte attività sperimentali dedicate a valutarne le proprietà chimico-fisiche, attraverso la produzione di dati di riferimento fondamentali e informazioni strutturali.

Gli argomenti di ricerca che costituiscono attualmente l'asse portante dell'insieme delle attività dell'ICFAM sono: la chimica fisica delle superfici e delle interfacce e la chimica fisica dei sistemi ceramici.

Per quanto riguarda il primo, l'Istituto è interessato alla determinazione delle energie di superficie dei sistemi liquidi, ossia alle misure di tensione superficiale, quella proprietà che impone ad un liquido, se lasciato libero, di assumere una forma sferoidale minimizzando l'energia.

Nello stesso settore l'ICFAM studia le proprietà di "bagnabilità" dei metalli liquidi che, se entrano in contatto con un corpo solido, tendono, appunto, a bagnarlo rendendo così più elevata l'adesione tra le due fasi. Più in generale, l'Istituto si occupa dell'interazione dei sistemi metallo-ceramico alle alte temperature.

L'ICFAM è in grado di effettuare misure di tensione superficiale di altissima precisione: ha messo a punto strumenti, dotati di una particolare accuratezza sperimentale, ed un approccio teorico originale che permette di quantificare l'interazione tra l'atmosfera in cui vengono condotte le prove e la superficie liquida esaminata.

Uno studio analogo è stato condotto anche per le basse temperature (temperatura ambiente) e ci ha portato a realizzare un'apparecchiatura adottata oggi da molti laboratori nel mondo, capace di misurare la tensione interfacciale e i fenomeni dinamici tra liquidi.

Sempre all'interno di questa linea di ricerca l'ICFAM dedica una particolare attenzione alla progettazione e allo sviluppo di nuove tecniche di giunzione metallo-ceramico. Si tratta di studi interessanti poiché i due materiali presentano caratteristiche molto diverse tra loro: i metalli sono caratterizzati da conducibilità termica elevata e grande dilatazione termica, mentre il materiale ceramico è, al contrario, un isolante termico.

Per saldare i due materiali, processo che viene eseguito sempre ad alte temperature, si deve attualmente interporre una lega che sia però in grado di resistere alle alte temperature. Grazie alla tecnica che noi abbiamo messo a punto è possibile controllare questo processo ed avere un'adesione perfetta tra le due parti.

Di rilievo è, inoltre, lo sviluppo delle ricerche relative al comportamento dei materiali in condizioni di "microgravità", effettuate su satelliti e su razzi sonda. Esperimenti sono stati realizzati a bordo dello Spacelab nel 1993 e del satellite europeo EURECA 1 tra il 1992 e il 1993; varie campagne di lancio sono state effettuate sui razzi MASER 1, MASER 2 e TEXUS 33 dell'Agenzia Spaziale Europea. Una serie di esperimenti sono, infine, in programma per l'ottobre del 1998 a bordo dello Spacelab e si sta preparando la sperimentazione a bordo della Stazione Spaziale Internazionale in orbita dopo il 2000.

Le attività relative alla chimica-fisica dei sistemi ceramici e allo studio della reattività e dei fenomeni di trasporto in sistemi polifasici sono orientate all'ottenimento di materiali ceramici di tipo funzionale, dotati di proprietà e macrostruttura controllate, tramite sinterizzazione e sinterizzazione reattiva, processi che consentono di saltare alcune fasi di lavorazione e di ottenere, ad esempio, materiali compatti da polveri tramite trattamenti termici e meccanici.

I gruppi di materiali studiati negli ultimi anni sono stati: i ceramici ferroelettrici (titanato di bario), i ceramici a bassissimo coefficiente di dilatazione termica (titanato di alluminio) e i nitruri superconduttori (nitruro di niobio e nitruri di niobio-titanio). Un importante risultato è stato raggiunto nel campo dei ceramici ferroelettrici. È stato messo a punto un metodo innovativo per la sintesi a bassa temperatura (80-100 °C), che permette di ottenere polveri ceramiche estremamente fini, che consentono poi di realizzare materiali sinterizzati densi a grana molto fine con buone proprietà dielettriche. Aggiungendo a questi componenti elementi della serie dei Lantanidi è stato possibile ottenere notevoli effetti cromatici dopo il trattamento ad alte temperature, creando così nuove possibilità applicative nel campo dei composti in grado di coniugare proprietà dielettriche, caratteristiche cromofore e notevole stabilità termica.

Quali sono gli studi che presentano una maggiore applicabiltià?

Nell'ambito degli studi relativi alla chimica fisica delle superfici e delle interfacce interessante è il nostro sostegno all'artigianato orafo per il quale, nell'ambito del programma del CNR Pro-Art, stiamo conducendo studi sulle proprietà chimico-fisiche e di adesione di leghe a base aurea per migliorare la funzionalità dei crogiuoli usati per la realizzazione di manufatti preziosi.

Nel settore invece della chimica fisica dei sistemi ceramici mi limito a ricordare la già citata produzione di polveri ceramiche colorate, già a livello di impianto pilota, e gli studi sulle giunzioni metallo-ceramico.

Quali ritiene siano le prospettive future dell'Istituto?

Una delle esigenze principali di un Istituto che si occupa di Scienza dei Materiali è, a mio parere, oltre che realizzare una produzione propriamente scientifica che lo ponga in concorrenza con i più qualificati laboratori internazionali, anche avere uno stretto rapporto con le attività produttive.

Ciò è ottenibile, da un parte, con una maggiore sensibilità alle problematiche industriali; dall'altra, facendo sì che le conoscenze acquisite a livello di laboratorio siano trasferite alle industrie per lo sviluppo di nuove attività produttive e di nuovi materiali.

Tali attività di scambio debbono coinvolgere soprattutto le piccole e medie imprese che per loro natura sono quelle direttamente interessate ai mercati ristretti ma remunerativi dei materiali per applicazioni specialistiche.

Proprio a tale scopo l'Istituto sta attuando un potenziamento delle linee di ricerca attraverso collaborazioni con le industrie del territorio. Ritengo, inoltre, che vadano valorizzati ulteriormente i contatti con laboratori ed università in Italia e all'estero che hanno permesso, negli anni più recenti, di mantenere l'interdisciplinarità della ricerca e gli alti standard qualitativi finora raggiunti.