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Con la definizione di materiali innovativi avanzati si indicano genericamente tutti quei materiali ceramici, metallici o polimerici progettati su misura per soddisfare una o più esigenze.

Tali materiali si differenziano da quelli tradizionali non tanto perché realizzati in tempi più recenti, ma perché presentano un alto grado di funzionalizzazione, ovvero sono progettabili intervenendo sulla loro struttura fisica e chimica per variare il loro contenuto informativo ed elevarne i livelli prestazionali.

OrigineModifica

I materiali avanzati impiegati in ambito edilizio derivano spesso da processi di trasferimento tecnologico da altri settori industriali caratterizzati da forti spinte all'innovazione (tipicamente aeronautico, automobilistico e biomedico), in cui la ricerca nel campo di materiali con prestazioni sempre più elevate costituisce una condizione imprescindibile per la realizzazione di prodotti e sistemi sempre più efficienti. Poiché generalmente in edilizia le innovazioni vengono assorbite in tempi più lunghi che in altri settori, sia dal punto di vista della produzione industriale che del progetto di architettura, affinché tali materiali siano acquisiti nella comune prassi costruttiva sono necessari processi di adattamento e di verifica delle prestazioni in condizioni d’uso, che, uniti alle difficoltà tecnico operative legate all’impiego dei materiali avanzati e all’assenza di normative specifiche, tendono a ritardarne la diffusione.

SviluppiModifica

Il recentissimo sviluppo delle conoscenze in campo chimico ha radicalmente mutato il rapporto tra uomo e materia conferendo la possibilità di manipolare le strutture atomiche molecolari mettendo a punto numerosi nuovi materiali a complessità gestita, nei quali le impurità e le anisotropie vengono appositamente progettate per ottenere prestazioni molto precise e puntuali.

L'identità materica dell'oggetto viene sostituita da quella prestazionale mutando un codice di riferimento che per secoli aveva aiutato l’uomo a conoscere il mondo circostante; la materia di recente generazione è inclassificabile secondo i parametri consolidati poiché si propone come un continuum di possibilità dai comportamenti imprevedibili.

La dimensione fluida che Bauman attribuisce alla società postmoderna ha significato anche per descrivere la nuova condizione della materia la cui perdita di identità induce a continue sperimentazioni per conferirle una riconoscibilità che è sempre più leggera e flessibile. La famiglia dei nuovi materiali appare estremamente eterogenea e difficilmente classificabile secondo i tradizionali criteri poiché il principale elemento che la distingue non risulta derivare dalle proprietà fondamentali del materiale stesso definite a priori dal suo contenuto materico, quanto piuttosto dalla possibilità di attribuirvi proprietà estranee ed originali che aumentino il suo contenuto informativo intervenendo su diverse scale dimensionali.

I livelli ai quali oggi è possibile intervenire su un singolo prodotto sono molteplici e variano la loro scala dimensionale a seconda delle proprietà che vi si vuole conferire. Per esempio agendo sulla struttura atomica di un materiale è possibile intervenire sulle sue proprietà generali che distinguono le tre grandi famiglie di prodotti ceramici, metallici e polimerici; agendo sul tipo di distribuzione spaziale degli atomi e sull'intensità dei loro legami è possibile modificare lo stato di aggregazione da solido a liquido o gassoso per esempio per la creazione di nuove leghe metalliche e materiali ceramici ad elevate prestazioni specifiche. Dal tipo di microstruttura derivano molte proprietà fisico – meccaniche quali per esempio il tipo di cariche presenti in un polimero e dalla macrostruttura è possibile gestire le proprietà di adesività di un composito modificando la combinazione tra quantità di fibre e di matrici presenti.

Caratteristiche e proprietàModifica

Tali materiali sono generalmente caratterizzati da proprietà ottimizzate rispetto ai comuni materiali da costruzione in relazione allo specifico impiego previsto, possono essere in grado di fornire prestazioni variabili, selezionabili e controllabili, di modificare le proprie caratteristiche fisico-chimiche in relazione agli stimoli ricevuti, fino ad introdurre nuove proprietà e prestazioni non raggiungibili né considerate in precedenza.

Poiché la principale differenza rispetto ai materiali tradizionali risiede nelle capacità prestazionali e non solo in una particolare o inedita conformazione fisico-chimica, anche materiali tradizionali “innovati” nelle loro prestazioni (si pensi ai calcestruzzi ad alte prestazioni) sono da considerarsi “avanzati” a tutti gli effetti. Allo stesso modo particolari processi produttivi e di sintesi possono identificare alcune classi di materiali avanzati (si pensi ai materiali nanostrutturati, risultanti dall’accoppiamento a scala nanometrica di due o più materiali).

TipologieModifica

Tra i materiali avanzati attualmente impiegati in ambito edilizio è possibile individuare due principali famiglie: i materiali a prestazioni fisse, in cui le proprietà finali sono selezionate e predeterminate attraverso particolari conformazioni chimico-fisiche e processi di sintesi, e i materiali smart, in grado di variare le proprie caratteristiche in risposta a stimoli esterni.

Tra i materiali a prestazioni fisse è possibile distinguere:

  • materiali strutturali avanzati, quali materiali compositi fibrorinforzati, calcestruzzi ad alte prestazioni, vetri strutturali, schiume metalliche e polimeriche, impiegati in diverse tipologie di applicazioni nelle quali la funzione richiesta è prevalentemente esprimibile in termini di proprietà meccaniche.
  • materiali termostrutturali, quali fibre ignifughe e flame retardant, resine termoresistenti; ceramici avanzati; ceramiche trasparenti; high-performance ceramics; schiume ceramiche e ceramici leggeri, con elevate proprietà termomeccaniche.
  • materiali a proprietà superficiali e di interfaccia, quali rivestimenti e coatings nanostrutturati antiusura, anticorrosione, termici e fotocatalitici; vetri autopulenti, selettivi e bassoemissivi, che se impiegati nell’involucro degli edifici sono in grado di fornire una elevata protezione da fattori ambientali di vario tipo grazie a particolari conformazioni chimico-fisiche.

È possibile invece suddividere i materiali smart in due principali categorie:

  • materiali property changing, come i materiali foto-termo-elettrocromici, i materiali a cambiamento di fase (magneto-elettroreologici, foto-termo-elettrotropici) e i materiali a memoria di forma, che modificano alcune proprietà (chimiche, meccaniche, ottiche, elettriche, magnetiche o termiche) in risposta al cambiamento delle condizioni ambientali senza la necessità di un sistema di controllo esterno.
  • materiali energy exchanging, quali sensori e attuatori piezoelettrici, materiali foto-elettro-chimicoluminescenti e OLED; materiali organici per la conversione fotovoltaica, in grado di trasformare una forma di energia entrante in un'altra uscente in accordo con il primo principio della termodinamica, impiegati all’interno degli edifici come dispositivi per la produzione di energia e sistemi di controllo.

È bene notare come una tale classificazione includa tipologie di materiali la cui applicazione in ambito edilizio è ormai consolidata (si pensi ai compositi fibro-rinforzati impiegati per il consolidamento di strutture esistenti o per la realizzazione di componenti strutturali leggeri e resistenti) o per i quali la domanda è oggi in forte crescita (vetri basso-emissivi e selettivi per il risparmio energetico, sensori e dispositivi di controllo nel campo della domotica), accanto a materiali impiegati solo in via sperimentale per i quali si intravedono tuttavia enormi prospettive nel settore delle costruzioni (come i rivestimenti nanostrutturati protettivi o fotocatalitici, materiali fotovoltaici organici o i materiali a memoria di forma).

Materiali ceramiciModifica

Le attuali ricerche nel campo dei materiali ceramici sono rivolte ad un perfezionamento delle loro proprietà nel tentativo di superare i limiti prestazionali derivati dalla loro intrinseca fragilità e dalla loro difficoltà ad essere lavorati. L’obiettivo delle numerose sperimentazioni è quello di ottenere nuovi materiali che sappiano unire le tradizionali caratteristiche di inerzia termica, stabilità chimica, elevata durezza con nuove qualità estranee a questa famiglia quali tenacia e facile processabilità.

Questa categoria di materiali oggi rappresenta uno dei campi più vasti di sperimentazione dovuta alla estrema varietà di prodotti appartenenti che spaziano dai calcestruzzi, ai vetri, ai prodotti lapidei.

CalcestruzziModifica

Oggi sono presenti sul mercato diversi prodotti innovativi quali calcestruzzi ad alte prestazioni del tipo HPC e RPC caratterizzati da elevata lavorabilità, resistenza meccanica, stabilità volumetrica e ridotta tendenza alla fessurazione, buona permeabilità ed elevata durabilità anche in condizioni ambientali non ottimali;

  • calcestruzzi fibro-rinforzati in cui presenza di fibre polimeriche permette di aumentare notevolmente la resistenza a flessione del prodotto,
  • calcestruzzi smart caratterizzati dalla presenza di fibre di carbonio o fibre ottiche che sono in grado di monitorare l’integrità della struttura attraverso un passaggio di corrente, e addirittura
  • calcestruzzi traslucidi dove l’elevata presenza di fibre di rinforzo permette una notevole diminuzione della densità dell’impasto.

VetriModifica

Particolarmente interessanti sono le sperimentazioni rivolte alla realizzazione di prodotti selettivi capaci di rispondere e modificare il proprio stato in funzione della radiazione solare, di un impulso elettrico o di un campo magnetico indotto quali vetri cromogenici tra cui si distinguono le categorie di:

  • elettrocromici: capaci di modificare la loro trasmittanza (conduzione di luce) conseguentemente ad una variazione di tensione elettrica;
  • fotocromici: capaci di cambiare le proprie caratteristiche ottiche se esposti a radiazione luminosa;
  • termocromici: capaci di cambiare il loro aspetto estetico se riscaldati;
  • a cristalli liquidi: capaci di variare la loro trasparenza se stimolati elettricamente;
  • elettroforetici: contenenti particelle di polyiodides o paraphathite sospese in un gel organico racchiuso in un film. Se applicata una tensione elettrica la disposizione delle particelle permette la variazione della trasparenza;
  • fotoelettrocromici: capaci di autoalimentarsi attraverso l'integrazione della tecnologia fotovoltaica con quella elettro e fotocromica.

Prodotti lapideiModifica

Stanno subendo un rapido processo innovativo che sta contribuendo fortemente a mutare il loro statuto e la loro naturalità. Alcune interessanti ricerche rivolte a migliorare la fragilità intrinseca di questi materiali stanno sperimentando la possibilità di realizzare

  • pietre fibro-rinforzate capaci di migliorare la capacità di resistenza ai carichi di circa 10 volte attraverso l'interposizione di fibre di carbonio
  • pietre laminate caratterizzate dall'accoppiamento della lastra di pietra con sottili lastre di vetro o polimeriche come elemento di protezione dagli agenti atmosferici esterni.

Una ulteriore direzione di sviluppo sempre riguardante i prodotti ceramici è rappresentata da

  • rivestimenti e pitture ceramiche dalle elevate proprietà riflettenti e isolanti
  • schiume ceramiche caratterizzate da ottime proprietà isolanti ed elevata resistenza meccanica.

Materiali metalliciModifica

Nella stessa direzione si muovono le più recenti innovazioni sui metalli laddove leghe dalle caratteristiche di resistenza e processabiità migliorate permettono di essere lavorate con processi ad alta precisione simili a quelli usati per polimeri termoplastici. Oggi sul mercato sono presenti un numero consistente di nuovi prodotti che hanno notevolmente arricchito le potenzialità e superato i limiti tradizionali migliorandone la resistenza alla corrosione, la duttilità, la lavorabilità e l'adesività a trattamenti superficiali.

  • leghe leggere e superleghe a basso peso specifico sono state sviluppate soprattutto nel campo dell’industria automobilistica e aeronautica per migliorare le prestazioni de veicoli;
  • schiume metalliche oggi disponibili soprattutto in alluminio e nichel offrono elevate prestazioni di leggerezza e rigidità accompagnate da buon isolamento acustico e termico;
  • acciai compositi disponibili sia sotto forma di fogli o lastre di alluminio o pannelli honeycomb accoppiati fisicamente attraverso prodotti termoplastici oggi abbastanza diffusi anche in campo architettonico per la produzione di pannelli di rivestimento di facciate, quali IL pannello composito in alluminio, sia sotto forma di veri e propri compositi in fibra metallica annegata in una matrice di diversa natura per applicazioni specifiche in campo industriale;
  • microleghe metalliche ad alte prestazioni resistenti sia ad elevati sforzi di rottura che ad alte temperature grazie alla combinazione di vanadio, molibdeno e rame particolarmente utili in applicazioni architettoniche in zone sismiche;
  • leghe a memoria di forma il cui utilizzo oggi è particolarmente interessante in campo biomedico, contraddistinte dalla capacità di produrre azioni reversibili in funzione della variazione della temperatura dell’ambiente circostante;
  • tessuti metallici arricchiti con ossidi di boro, allumina e silicio (per esempio il Nextel) usati per applicazioni speciali in ambienti ad elevate temperature quali missioni aerospaziali. Una versione meno performante è utilizzata anche in campo architettonico per le sue valenze estetiche in pannelli di facciata.

Materiali polimericiModifica

Anche la famiglia dei materiali polimerici offre interessanti sfide soprattutto per quanto riguarda la produzione di tessili tecnici e film. La gamma dei tessili tecnici è eterogenea e difficilmente classificabile in modo univoco a causa della varietà di prodotti esistenti sul mercato che coinvolgono tessuti e non tessuti, utilizzati nei più svariati campi d'impiego (dall'elettricità, agli eccipienti di medicina e farmaceutico, al campo automobilistico, all'ingegneria aerospaziale, all'abbigliamento.

Le membrane utilizzate nel campo dell'architettura sono generalmente costituite da un tessuto rivestito con una resina polimerica, loro resistenza è determinata principalmente dalla forza dei singoli fili di cui sono costituiti e può variare in relazione alle differenti tipologie di tessuti disponibili, quali i tessuti trama e ordito, i tessuti laminati, i fogli o film. Oggi è possibile suddividere i principali prodotti tessili architettonici per la realizzazioni di strutture in membrana in due macro categorie in funzione del numero di materiali polimerici impiegati in fibra e matrice.:

  • prodotti multicomponente: quali i tessuti in poliestere/PVC, vetro/PTFE e vetro/silicone;
  • prodotti monocomponente : di più recente realizzazione come il tessuto in PTFE espanso, e i film polimerici in ETFE e THV.

La ricerca nel settore dei tessili tecnici è in rapida evoluzione grazie alla veloce diffusione di questi prodotti in diversi settori. I principali sforzi compiuti dai produttori sono rivolti oggi principalmente al miglioramento delle caratteristiche di resistenza, isolamento, durabilità, manutenibilità ed efficienza durante la loro vita utile. Un ulteriori campo di applicazione dei film polimerici è quello per la realizzazione di film fotovoltaici per la produzione di energia elettrica a partire da risorse rinnovabili. Le ricerche in corso sono orientate ad aumentare l’efficienza di questi sistemi che attualmente risulta essere più bassa rispetto a quella delle celle fotovoltaiche.

Con l'emergere della questione ambientale, e la conseguente esigenza di ridurre l’impatto di ogni prodotti un tutte le fasi del suo ciclo di vita l'industria delle materie plastiche è stata costretta ad effettuare una revisione delle materie prime, delle tecnologie e dei processi utilizzati nella produzione dei polimeri. Nell’ambito delle problematiche relative alla fase finale dei ciclo di vita dei prodotti realizzati in materiale polimerico emerge un settore particolarmente interessante e ricco di potenzialità: quello dei polimeri biodegradabili, progettati per degradare se sottoposti a particolari condizioni ambientali, rientrando nei cicli organici naturali.

NoteModifica


BibliografiaModifica

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  • HEGGER M. et al., Atlante dei materiali, UTET Scienze Tecniche, Torino, 2006.
  • LANGELLA C., Nuovi paesaggi materici, Alinea, Firenze, 2003.
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  • SINOPOLI N., “L'invenzione di nuovi materiali per l'architettura”, in Rassegna - L'architetto inventore, n. 80, 2005, pp. 102-111
  • STATTMANN N., Ultra light – super strong. A new generation of design materials, Birkhauser, Basel 2003.

Voci correlateModifica

Collegamenti esterniModifica



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