Storia e segreti di tutti i materiali che ci circondano

Fin dai tempi più antichi l’uso di nuovi materiali ha modificato il comportamento degli umani avviandoli progressivamente alla ricerca consapevole di più efficaci tecnologie. Così, persino la ricerca alchemica della pietra filosofale, sostenuta da slanci spirituali, ha portato alla scoperta di nuove sostane e nuove tecniche sperimentali, alla base della chimica moderna.

In questo volume Silvano Fuso, chimico e divulgatore, passa in rassegna i materiali di oggi, dal legno fino ai nanomateriali, raccontandone le caratteristiche, gli usi, le tecnologie che su di essi si sviluppano, le ricerche e gli scienziati che ne hanno rivelato le proprietà. Si comprende così come ricerca e sperimentazione, sulla base di intuizioni, di solide conoscenze teoriche (e con un pizzico di fortuna) abbiano realizzato nel tempo la grandissima varietà di materiali di cui oggi disponiamo, caratterizzati ciascuno da proprietà ben precise, adatti alle esigenze di oggi e suscettibili di ulteriori sviluppi.

Gli elementi, disposti in bell’ordine nella Tavola Periodica di Mendelejev, si combinano chimicamente nelle condizioni appropriate, si legano in quantità ben definite formando strutture complesse, reagiscono formando prodotti con nuove proprietà. Ecco i materiali ceramici, i vetri, le plastiche, i nuovi materiali da costruzione, fino ai materiali intelligenti (smart) prodotti dalle ricerche più moderne.

Pur accennando soltanto alle complesse interpretazioni della meccanica quantistica, Fuso spiega come diverse proprietà dipendano dalla struttura elettronica di ogni materiale. Ad esempio, il comportamento dei buoni conduttori di correnti elettriche come i metalli, degli isolanti e dei semiconduttori dipende dalla differenza di energia (energy gap) che – come spiega la quantistica – caratterizza le due bande elettroniche dei loro atomi. Se il gap energetico è elevato gli elettroni riescono a passare da una banda all’altra solo se viene somministrata loro energia sufficiente (per esempio scaldandoli). Altrimenti la corrente non passa e il materiale è isolante. Viceversa, se il gap energetico è basso o inesistente, i materiali sono conduttori e l’aumento di temperatura non favorisce la conduzione in quanto l’agitazione termica (disordinata) degli ioni ostacola il movimento degli elettroni.

E’ molto interessante il capitolo dedicato ai polimeri, che racconta la storia tecnologica della “invenzione” delle materie plastiche, ne analizza le differenze nella struttura e negli usi, e spiega le caratteristiche delle plastiche biodegradabili. Ancora una volta, la conoscenza dei fatti di realtà dovrebbe portare a gestire comportamenti responsabili nei confronti dei nostri simili e del pianeta. In realtà un certo tipo di informazione poco razionale induce a pensare che le plastiche biodegradabili rappresentino la soluzione alla invasione permanente delle plastiche nel mondo. Ma, dice Fuso, anche le biodegradabili a temperatura ambiente permangono per tempi piuttosto lunghi, in forma inutilizzabile come dimostra la fragilità degli attuali sacchetti da supermercato, capaci inoltre di produrre piccoli frammenti che finiscono nel ciclo alimentare della fauna risultando in definitiva più dannosi di altri polimeri che invece rimangono intatti e che potrebbero rappresentare un efficace combustibile per i termovalorizzatori. Invece di demonizzare la plastica, suggerisce Fuso, sarebbe meglio criticare “l’incivile vizio” di abbandonarla in ogni ambiente a portata di umano (Spazio compreso).

Ogni materiale sottoposto a sollecitazioni esterne (riscaldamento, campo elettrico o magnetico, irraggiamento…) subisce un cambiamento e ha una risposta “che può essere considerata una sorta di percezione della realtà esterna”. I “materiali funzionali” sono stati studiati in modo da svolgere una funzione precisa in risposta ad uno stimolo preciso. Sono dunque materiali dotati di capacità adattative agli stimoli esterni: si hanno così i polimeri elettroattivi, gli elastomeri dielettrici, gli autoriparanti, quelli con memoria di forma, i fotomeccanici, i termoelettrici… Per esempio, i fotovoltaici “reagiscono” alla luce solare trasformandola in energia elettrica. Per aumentarne l’efficacia, sono stati costruiti pannelli con più strati di materiali sovrapposti ognuno dei quali è sensibile a specifiche componenti della luce solare, cioè è in grado di assorbirla selettivamente.

Gli sviluppi della tecnologia stanno realizzando dispositivi in grado di manipolare la materia a livello atomico. Questa possibilità è illustrata nel capitolo sui nanomateriali che, ridotti a dimensioni comprese da uno a cento miliardesimi di metro (da 1 a 100 nanometri) assumono particolari proprietà fisico-chimiche che non compaiono a livello di dimensioni superiori. Molti processi biologici avvengono a livello nanometrico e questo permette, con particolari attenzioni alle tossicità delle sostanze, di usare nanosfere o nanocapsule per veicolare principi farmacologicamente attivi.

Fuso cita i personaggi che hanno ottenuto i più interessanti risultati, a volte con scoperte casuali e a volte in maniera mirata, e conclude il libro con un interessante capitolo dedicato all’arte. I nuovi materiali di cui nel tempo pittori e scultori hanno potuto disporre hanno modificato anche la loro visione artistica: i colori brillanti delle opere pittoriche medioevali hanno potenziato la spiritualità di certe rappresentazioni così come l’ampia disponibilità cromatica alla fine dell’800 ha permesso la luminosità dei quadri di van Gogh e il blu di Prussia ha consentito il “periodo blu” di Picasso. Oggi si usano colori acrilici , resistenti e a basso costo, che però non consentono le sfumature invece possibili nella pittura a olio.

Dietro ogni nuovo materiale sono sempre implicati gruppi di ricercatori (tra cui alcuni premi Nobel) e potenti aziende che sfruttano economicamente ogni potenzialità. Gli sviluppi della fisica e della chimica hanno permesso di comprendere la stretta connessione tra la struttura molecolare e atomica dei materiali e le loro proprietà macroscopiche. La collaborazione tra scienziati di diverse discipline ha anche permesso di progettare a tavolino materiali con le caratteristiche desiderate. Dalla produzione di energia al trasporto di farmaci in prossimità delle cellule malate il testo di Fusi mette in evidenza come la (potente) industria dei materiali apra continuamente nuove prospettive che stimolano la ricerca di nuove soluzioni per un mondo tecnologicamente sempre più avanzato.

Credits immagine: Robby McCullough on Unsplash