UN VETRO COME UN DIAMANTE

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Feb 272017
 

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A chi non è mai capitato di vedere volare per terra il proprio smartphone e vederlo andare in frantumi?. Una esperienza sicuramente non piacevole. Oggi sono diversi i sistemi di protezione che si possono utilizzare per rendere più sicuri i nostri dispositivi o per rendere minore la probabilità di un danno grave come quello appena descritto. Tra i sistemi adottati, pellicole, gusci o altre bizzarre soluzioni, quella sviluppata da un paio di ingegnosi inventori, Pascal Buchen e Anthony Fllipik, è sicuramente una di quelle di cui sentiremo ancora parlare.

ProtectPax02

La loro invenzione denominata ProtectPax altro non è che una miscela di nanoparticelle di titanio che si presentano allo stato liquido e se spalmate sul dispositivo, lo rendono impermeabile, indistruttibile, resistente ai graffi e persino alle cadute. Nei test le immagini mostrano un terminale sottoposto ad ogni tipo di tortura, come ad esempio le martellate o il calpestamento da parte di un’auto.

ProtectPax03

Questo per far capire la grande azione realizzata dal prodotto. In pratica questo liquido, versato sul terminale, può essere spalmato letteralmente con un dito su tutta la superficie e bisogna poi lasciarlo agire per circa 10 minuti, cioè il tempo necessario ad asciugarlo. Da quel momento in poi potremo fare di tutto al nostro telefonino, sicuri che sarà protetto come all’interno di una corazza.

In pratica, il ProtectPax, questo composto di nanoparticelle di titanio, non fa altro che depositarsi sulla superficie e andare a riempire le minuscole porosità presenti su di essa rendendo le superfici, compreso il vetro, fino a 6 volte più resistenti. Inoltre. è completamente trasparente, questo fa in modo che resti garantita la funzionalità del vetro e attive tutte le caratteristiche touch dello schermo.

I test, hanno dimostrato che questa pellicola porta il materiale ad una durezza pari a quella dello zaffiro che nella scala di Mohs (quella che misura la durezza dei materiali – vedi anche: LE PROPRIETA’ DEI MATERIALI) è di 9H dove il valore più alto è 10H per il diamante e dove la durezza tipica degli schermi dei telefonini è normalmente compresa tra 2H e 5H.

ProtectPax01

La durata di questa pellicola protettiva non è però eterna; per circa un anno il dispositivo sarà perfettamente protetto, poi bisognerà effettuare nuovamente il trattamento. Il prodotto può essere applicato su molte superfici e rinforzare molti oggetti, come ad esempio occhiali, dispositivi elettronici, obiettivi fotografici ed altro.

Il prodotto è già ordinabile sulla piattaforma di crowdfunding Indiegogo al costo di soli 69$ per due dispositivi.

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//www.youtube.com/watch?v=72J39JmDkfM

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UNA CARTA NANOTECNOLOGICA

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Feb 112017
 

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La carta è un materiale riciclabile al 100% anche se questo processo richiede l’impiego di tanta energia e l’uso in alcuni casi di prodotti tossici o non propriamente compatibili con l’ambiente. Inoltre, la quantità che se ne produce, da sola è un grande carico per il nostro sistema di smaltimento. Molta della carta che utilizziamo ha, se ci facciamo caso, una vita utile molto breve; si pensi ai quotidiani o agli imballaggi di prodotti freschi che vengono utilizzate per tempi molto brevi a volte solo pochi giorni.

NANOCARTA01

E’ proprio su questa specifica tipologia di carta che il ricercatore Wenshou Wang della Shandong University cinese, insieme ai ricercatori della University of California e della Berkley University, stanno lavorando. In pratica, hanno realizzato un nuovo tipo di carta basata su nanotecnologie, in grado di essere scritta con la sola presenza della luce ed esattamente con i raggi Ultra Violetti.

Il team di ricercatori ha ricoperto un normale foglio di carta con un materiale nanotecnologico che è possibile stampare e cancellare senza l’utilizzo dei colori o degli inchiostri.

NANOCARTA02

Wenshou Wang

Si tratta di un materiale che cambia colore quando viene esposto a sorgenti luminose. In pratica questo foglio è rivestito con una pellicola composta da due nanoparticelle: il blu di Prussia, un inchiostro molto conosciuto dagli artisti, non tossico ed economico e il biossido di titanio (TiO2) un semiconduttore. L’inchiostro blu ha la caratteristica che diventa completamente trasparente se acquisisce elettroni, mentre il biossido è un materiale fotocatalitico in grado di accelerare le reazioni chimiche in presenza di raggi UV.

Approfondisco: la fotocatalisi è l’azione in virtù della quale alcuni materiali semiconduttori, per es. l’ossido di zinco e il biossido di titanio, sotto l’azione della luce possono dar luogo a reazioni di riduzione o di ossidazione di sostanze indesiderate presenti anche in piccole quantità.

Il foglio si presenterà di conseguenza di colore blu prima di essere utilizzato per la presenza del blu di Prussia. La stampa avviene attraverso l’esposizione del foglio ai raggi UV; in questo modo, lo strato di biossido di titanio verrà eccitato dalla luce emettendo elettroni che, catturati dallo strato di colore ne realizzeranno la depigmentazione. In pratica, il foglio diventerà completamente trasparente tranne nelle parti non toccate dai raggi UV. In questo modo il testo o le immagini stampate resteranno in evidenza, in questo caso di colore blu.

Questa trasformazione, resta attiva per un periodo di circa 5 giorni, dopo i quali, lentamente ritornerà alla condizione iniziale, ossia completamente blu. Tale processo può essere accelerato, sottoponendo il foglio all’azione di un calore a 120°C per circa 10 minuti.

NANOCARTA03

Usando pigmenti diversi dal blu di Prussia, è possibile stampare in altri colori. Ora i ricercatori stanno lavorando per la realizzazione di una stampante in grado di stampare e cancellare immagini su fogli trattati con queste nanoparticelle.

E’ possibile già immaginare l’impatto sull’ambiente e sui costi di una carta del genere che non deve essere riciclata, ma solo ristampata infinite volte senza mai essere gettata; non saranno necessari colori di alcun genere e smaltimento di toner e cartucce esauste. Giornali, volantini pubblicitari e tutto ciò che necessita solo una stampa temporanea potranno essere realizzate con questo nuovo prodotto e risparmiare all’ambiente processi lunghi e comunque inquinanti per il recupero della carta da macero.

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SERIE METALLI: FERRO > ACCIAIO

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Feb 062017
 
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Acciaio01

L’acciaio è sicuramente la più importante delle leghe ottenute dall’uomo per le sue proprietà e per la quantità di impieghi. Si ottiene miscelando il metallo con maggiore presenza sulla Terra, il ferro, con il carbonio (carbon coke).

Ferro01Approfondisco: iferro è più usato di tutti i metalli, circa il 95% di tutto il metallo prodotto universalmente. E’ il metallo più abbondante sulla terra ed è considerato il decimo nell’universo. La maggior parte del ferro si trova sotto forma di ossidi contenuti in minerali quali ematite, magnetite e taconite.

carbon-cokeApprofondisco: il coke è un carbone artificiale che si ottiene quale residuo della distillazione secca del carbon fossile a temperatura elevata. Si presenta come un materiale di colore grigio più o meno chiaro, leggero e molto poroso, con lucentezza più o meno evidente.

La produzione dell’acciaio avviene in un impianto Siderurgico (dal greco, lavorazione del ferro) ma non può avvenire in modo diretto, perché bisogna produrre per prima la ghisa, un’altra lega del ferro.

Ghisa01Approfondisco: la ghisa è una lega ferro-carbonio caratterizzata da un tenore di carbonio compreso fra l’1,9% e il 5,5%. Si ottiene direttamente nell’altoforno dai minerali di ferro ed è detta ghisa d’altoforno o ghisa madre e viene prevalentemente usata per produrre, mediante affinazione, i diversi tipi di acciaio. Possiede le seguenti proprietà: è dura, fragile, poco resistente alla trazione e flessione, è resistente alla compressione e alla corrosione, non è malleabile, fonde a temperatura non molto elevata, consente la realizzazione di pezzi, per colaggio, anche molto complessi.

I passaggi che portano alla produzione dell’acciaio sono dunque i seguenti:

  • estrazione dei minerali ferrosi;
  • produzione della ghisa (altoforno);
  • produzione dell’acciaio (convertitore);
  • laminatoio.

Il processo siderurgico inizia con l’estrazione dei minerali metalliferi contenenti il ferro dalle cave o dalle miniere (il ferro non si trova allo stato puro in natura). Come per molti metalli, si effettua la loro frantumazione ed una successiva macinazione. Questi vengono lavati da polveri ed impurità e divisi in categorie a seconda della concentrazione dei metalli contenuti, mediante separazione magnetica o gravitazionale. Seguono poi le operazioni di flottazione, vagliatura, calibratura, essiccazione, calcinazione e arrostimento dei minerali. A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni.

ALTOFORNO E PRODUZIONE DELLA GHISA
Altoforno

Altoforno

L’altoforno è un forno a funzionamento continuo per la produzione della ghisa. Il suo nome deriva dalle sue dimensioni, infatti può raggiungere un’altezza di 100 metri e un diametro di 10.

E’ costituito da un ingresso superiore per la carica dei materiali chiamata bocca, da due tratti tronco-conici, di cui il tino costituisce il cono superiore e la sacca quello inferiore, uniti da una sezione cilindrica centrale chiamata ventre. La carica avviene dall’alto, dalla bocca, a strati di coke e minerale ferroso che vengono gettati alternativamente. In basso troviamo un altro anello cilindrico chiamato crogiolo, dove si deposita la ghisa madre e le scorie dette anche loppe.

È un forno a vento perché per raggiungere tali  temperature è necessario insufflare ossigeno dal basso.

La struttura del forno è costituita esternamente da una corazza di acciaio rivestita, internamente, da mattoni refrattari su un sottostrato di cemento anch’esso refrattario e le pareti del forno sono raffreddate da tubazioni d’acqua nelle zone più calde.

STUDIA CON I VIDEO:

Dall’alto verso il basso la temperatura aumenta gradualmente passando dai 400°C della bocca ai 1600°C del crogiolo.

Altoforno02

Parti e temperature dell’altoforno

La carica avviene dall’alto attraverso la bocca, con strati alterni di minerale (ossidi, ricchi di ferro, come ematiti, limoniti, magnetiti), fondente (calcare, dolomite, silice e talvolta bauxite) e coke.

I materiali scendendo lungo il forno incontrano temperature sempre più alte avviando una serie di trasformazioni fisico/chimiche che portano alla fusione del ferro e del fondente (ad esclusione del coke) fino alla formazione della ghisa.

Nel crogiolo sono disposti in alto due fori per la fuoriuscita delle loppe che galleggiano sopra la ghisa perché aventi peso specifico inferiore e in basso, appena sopra il fondo, due fori di colata della ghisa madre.

L’attività dell’altoforno, è definita a ciclo continuo perché non viene interrotta mai. Questo è dovuto al fatto che nell’altoforno per raggiungere le temperature necessarie, serve molta energia e tanto tempo, per cui il suo raffreddamento non è possibile; inoltre, un eventuale abbassamento della temperatura interna, comporterebbe la solidificazione del metallo che di fatto renderebbe inutilizzabile il forno stesso.

IL CONVERTITORE E L’ACCIAIO

Le materie prime per la produzione dell’acciaio sono:

  1. la ghisa greggia, proveniente dall’altoforno, che viene affinata (riduzione della percentuale del carbonio e delle impurità) ;
  2. il rottame di ferro, derivato da recuperi civili e industriali ;
  3. le ferroleghe, che sono leghe di ferro particolari, che vengono usate solo per la produzione di acciai; contengono una percentuale di carbonio generalmente molto bassa (dallo 0,1% all’1%):
  4. altri metalli come silicio, manganese, cromo, nichel, cobalto ecc… che vengono aggiunte agli acciai per migliorarne le caratteristiche.

La ghisa viene trasportata nell’acciaieria tramite siviere o tramite un carro ferroviario chiamato carro siluro.

Avesta, Heavy Lifting, Process Cranes

Siviera

Entrambi, realizzati in acciaio con rivestimento interno in mattoni refrattari, possono ruotare sul proprio asse per scaricare il loro contenuto. Le siviere, sono dei grandi contenitori con la forma di un bicchiere che trasportati e sospesi tramite carri ponti, versano il contenuto (ghisa) all’interno dei convertitori. I carri siluro hanno lo stesso scopo, ma vengono utilizzati quando il tragitto da compiere verso, l’acciaieria è maggiore.

Carro siluro

Carro siluro

La produzione dell’acciaio avviene attraverso dei forni chiamati convertitori ed iniziò a livello industriale nel 1856 grazie al genio inventivo di Herry Bessemer che, grazie a quello che fu definito forno Bessemer, rese possibile la produzione dell’acciaio in un’unica fase e in grandi quantità.

Convertitore Bessemer

Convertitore Bessemer

Schema di un convertitore Bessemer

Schema di un convertitore Bessemer

Il forno ha un capacità variabile da 10 a 20 tonnellate di ghisa fusa con un’altezza compresa tra i 6 e gli 8 metri e un diametro tra 3 e 4 metri. L’interno anche in questo caso è rivestito da materiale refrattario (mattoni) ed ha un movimento basculante che, grazie alla forma, consente un caricamento e un svuotamento rapido del forno. Tramite un tubo sul fondo, viene immessa aria calda che entrando in reazione alle alte temperature con il carbonio contenuto nella ghisa, lo brucia consentendo di abbassare il suo tenore e trasformando così la fragile ghisa in resistentissimo acciaio.

Forno LD

Forno L.D.

La moderna evoluzione del convertitore Bessemer è oggi rappresentata dai convertitori ad ossigeno L.D. (L sta per Linz e D sta per Donawitz, città austriache dove per la prima volta nel 1952 e 1953 il forno fu adottato). Carica, eliminazione delle scorie e introduzione dell’ossigeno avvengono dall’alto, dalla bocca, mentre la fuoriuscita dell’acciaio avviene da un’apertura laterale.

L’introduzione dell’ossigeno a grande pressione e in grande quantità fa in modo da eliminare quasi tutte le scorie e produrre un acciaio di elevatissima qualità, motivazione che ha permesso a questo metodo di imporsi sugli altri.

Approfondisco: l’acciaio è una lega ferro-carbonio caratterizzata da un tenore di carbonio inferiore al 2% ottenuta per riduzione del carbonio dalla ghisa nel convertitore.

FASE FINALE: IL LAMINATOIO
Laminatoio

Laminatoio

E’ un processo di riduzione dell’altezza o cambio di sezione di un pezzo attraverso la pressione applicata tramite due rulli rotanti (calandre).

Laminatoio2

La laminazione rappresenta il 90% dei processi di lavorazione per deformazioni ed è stata sviluppata nel 1500; si producono principalmente laminati che si suddividono in: piastre (spessore minore 6 mm), fogli o lamiere (spessore maggiore 6 mm). La laminazione viene effettuata a caldo o a freddo.

La laminazione a caldo serve uniformare il pezzo dimensionalmente e chiudere la porosità e avviene in generale ad una temperatura prossima ai 1000°C.

Si produce la bramma che può essere a sezione quadrata o rettangolare. Da questa si possono produrre con successivi passaggi travi di varia sezione oppure rotaie ferroviarie.

Dalle bramme, è possibile produrre pezzi più piccoli detti billette di sezione quadrata o tonda da utilizzare successivamente per la trafilatura.

Laminatoio3

Laminazione secondaria: produzione pezzi speciali

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GRAFENE 3D PER SUPER MATERIALI

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Gen 302017
 
Ogni giorno che passa la scienza trova nuove incredibili utilizzazioni per il grafene, il super materiale scoperto pochi anni fa e ottenuto dalla grafite.
Grafene3D04

Un gruppo di scienziati del MIT di Boston ha assemblato fogli bidimensionali di grafene in modo da ottenerne una “maglia tridimensionale”. Il risultato? Un materiale con una resistenza meccanica 10 volte maggiore di quella dell’acciaio ma con una densità pari a solo il 5% della lega ferrosa.

Approfondisco: la densità rappresenta il rapporto in una sostanza tra la massa e il suo volume (per massa si intende la quantità di materia presente in un corpo).

Il grafene è oramai ritenuto da tutti il materiale più resistente in assoluto tra quelli finora scoperti. Il problema fino ad oggi riscontrato dai ricercatori è stato proprio quello di poter utilizzare tale materiale per applicazioni che non fossero esclusivamente bidimensionali, in quanto è noto che la sua struttura è bidimensionale perché formata da un solo strato di atomi.

Struttura atomica del grafene

Struttura atomica del grafene

Gli studiosi del MIT, hanno passato a setaccio ogni singolo atomo del grafene analizzandone anche la disposizione geometrica e sono arrivati alla conclusione che combinando fiocchi di grafene in forme particolari si potesse sfruttare questa loro resistenza anche per scopi e soluzioni diverse. Sono state prese a riferimento le particolari strutture molecolari di alcuni coralli e delle diatomee, creature microscopiche il cui volume è bassissimo rispetto alla loro superficie. Sono stati assemblati fiocchi di grafene attraverso l’uso di calore e pressione in modo da modellarlo in forme tridimensionali che ricordano una spugna.

Grafene3D01

Campione di grafene 3D

Sono state provate differenti configurazioni geometriche fino a realizzare un campione che ha presentato una resistenza meccanica 10 volte superiore a quella di un buon acciaio ma con una densità  del 5% rispetto a quest’ultimo.

Grafene3D02

Differenti configurazioni in prova

Immaginate quali potranno essere le possibili utilizzazioni di questo nuovo super materiale soprattutto nel campo dell’edilizia.

Strutture e reticoli di grafene che avvolgono i materiali base dell’edilizia formati attraverso l’uso di calore e pressione. Una volta conformato l’oggetto, si potrebbe togliere il materiale base e lasciare la super struttura in grafene molto più leggera e resistente. Immaginate costruzioni tipo ponti o grattacieli quale beneficio potrebbero trarre da questa incredibile scoperta. Vedremo quali saranno gli sviluppi commerciali che questo nuovo prodotto sarà in grado di generare.

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SERIE METALLI: ALLUMINIO

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Gen 242017
 
ARGOMENTO INDICATO PER BES/DSA
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ALLUMINIO
Alluminio Simbolo Alluminio atomica
DATI CONFIGURAZIONE
Bauxite SONY DSC
MINERALE ASPETTO

L’alluminio, è un metallo molto diffuso in natura; è il terzo elemento dopo l’ossigeno e il silicio. Ha simbolo chimico Al e numero atomico 13.

Fu isolato nel 1825 dallo scienziato H. C. Ørsted ma la sua produzione massiva iniziò a fine secolo, dopo il 1886 quando fu inventato il processo elettrolitico.

Di colore argenteo si  estrae da minerali il principale dei quali è la bauxite.

Miniera Bauxite

Miniera di bauxite

E’ il metallo più utilizzato dopo il ferro e deve il suo successo alle sue incredibili proprietà tra le quali quella di ricoprirsi con un sottilissimo strato di ossido che lo rende inalterabile agli agenti atmosferici.

ALUQuello prodotto con processo elettrolitico, viene definito alluminio primario, che si differenzia da quello ottenuto attraverso il riciclo detto alluminio secondario. L’alluminio ha infatti la caratteristica di poter essere riutilizzato all’infinito. Nel passato era più raro e costoso dell’oro e il riciclo ha aiutato a ridurne i costi di produzione fino al 90%. Infatti, questo metallo è estratto dall’allumina che ha una temperatura di fusione molto alta, circa 2.050°C richiedendo per questa operazione un enorme dispendio di energia che ne fa lievitare i costi.

PROPRIETA’

L’alluminio deve il suo successo alle straordinarie proprietà che lo contraddistinguono; infatti è:

  • conduttore elettrico;
  • conduttore termico;
  • resistente alla corrosione;
  • a-magnetico;
  • basso peso specifico;
  • duttile;
  • malleabile;
  • riciclabile;
  • igienico;
  • buona resistenza meccanica.
LEGHE

Miscelando l’alluminio con altri metalli, è possibile realizzare numerose leghe, dette appunto leggere perché con peso specifico molto basso, le cui proprietà superano in molti casi quelle del metallo di origine. Le più importanti sono:

  • silumin (silicio e alluminio);
  • anticorodal (magnesio, rame, manganese, silicio e alluminio);
  • peraluman (magnesio e alluminio);
  • duralluminio (rame, manganese, magnesio e alluminio).
IMPIEGHI

L’alluminio e le sue leghe servono per la costruzione di aerei, veicoli, navi, strutture, pezzi da fonderia, utensili di uso domestico ed elettronica.

Alluminio02 Alluminio03 Alluminio04
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AUROGEL: ORO DALLE FIBRE DEL LATTE

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Lug 142016
 

AUROGEL01Chi lo avrebbe detto che dal latte i ricercatori sarebbero riusciti a produrre oro a 20 carati? Eppure è così; i ricercatori della ETH di Zurigo sono riusciti a creare in laboratorio un nuovo materiale dalle caratteristiche eccezionali. E’ super-leggero (1000 volte meno pesante dell’oro tradizionale) così leggero da galleggiare pure sulla schiuma del cappuccino, morbido al tatto e lucente.

Questo nuovo materiale, soprannominato aurogel dai suoi scopritori, potrà essere impiegato in molti campi, soprattutto quello della gioielleria e dell’alta moda per realizzare creazioni innovative e ancora non prevedibili.

AUROGEL02Ma come hanno ottenuto l’aurogel i ricercatori svizzeri? Sono partiti dalle proteine del latte scaldandole a tal punto da costringerle a scindersi in sottili fibre spesse solo un nanometro. A questo punto il miracolo: queste fibre sono state immerse in una soluzione di sali d’oro. Le fibre si sono mescolate tra di loro intrecciandosi formando una struttura attorno alla quale le particelle d’oro si sono cristallizzate permettendo la nascita di questo nuovo materiale superleggero.

La pepita realizzata in laboratorio è così leggera da restare sospesa sopra i petali di un fiore o addirittura galleggiare sulla schiuma di un cappuccino.

AUROGEL03

Cos’è che rende questo nuovo straordinario materiale leggero? Il fatto che è estremamente poroso; la sua struttura contiene per il 98% aria.

Il restante 2% è costituito da 4/5 di oro e per 1/5 dalle fibre del latte. Questa insolita combinazione rende il materiale molto malleabile senza compromettere le altre caratteristiche tipiche dell’oro quale la lucentezza e la grande lavorabilità.

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IL MATERIALE CHE SI RAFFREDDA AL SOLE

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Giu 282016
 

Una delle maggiori preoccupazioni quando si realizza un edificio soprattutto in zone a clima caldo è il suo rinfrescamento durante le ore diurne e estive. Il costo del sistema di condizionamento, può diventare uno dei maggiori per la gestione dell’edificio e va tenuto in considerazione già in fase di progettazione. Nuove soluzioni vengono escogitate dai progettisti, al fine di ridurre l’impatto sui costi, ad ogni nuovo progetto.

Ma forse la soluzione definitiva viene ancora una volta dai ricercatori del MIT, i quali hanno sperimentato un nuovo materiale capace di cedere calore e di rinfrescando l’ambiente cui è esposto.

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Normalmente, un materiale convenzionale trovandosi in un ambiente a temperatura più bassa, si raffredda cedendo parte del suo calore. In pratica si tratta di un pannello, molto simile a quelli fotovoltaici, ma la cui combinazione è molto diversa. Un wafer di silicio dello spessore di 10 centimetri nei quali si alternano strati di vetro a strati di afnio. Tali pannelli, sono in grado di disperdere nello spazio circostante circa il 97% dell’energia solare (quindi anche termica) che li colpisce.

Il principio è quello che il nostro pianeta utilizza per la dispersione del calore in eccesso, chiamato finestra termica spaziale. La nostra atmosfera, riesce a dissipare parte del calore terrestre nello spazio, quando questo è emesso a particolari frequenze. Il materiale del MIT funziona allo stesso modo e sfrutta le stesse frequenze delle onde termiche che utilizza il nostro pianeta. Con questo principio, il pannello diventa più freddo dello spazio circostante disperdendo una grande quantità di calore.

Vetrotermico01

Shanhui Fan, il ricercatore del MIT che ha già realizzato un modello funzionante della finestra termica, ha dimostrato che questo sistema è perfettamente efficiente anche durante il giorno, nel momento in cui è pienamente colpito dai raggi solari. In pratica, Shanhui Fan avrebbe realizzato un campione della dimensione di un piatto e vorrebbe realizzare un pannello di circa un metro quadro per dimostrare la sua assoluta efficienza. Shanhui è convinto, se riuscirà a convincere gli sponsor e trovare i finanziamenti, di poter dimostrare che ricoprendo un tetto con pannelli di questo materiale super riflettente, sarà possibile eliminare del tutto il fabbisogno di aria condizionata, con un risparmio in termini energetici e di inquinamento incredibili.

Si tratterebbe di un grande risultato ed anche i costi di produzione potrebbero essere contenuti utilizzando le tecniche già oggi utilizzate per la realizzazione delle finestre a taglio termica.

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GLI ELETTRONI VOLANO SULLO STATENE

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Giu 252016
 

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Anche in campo elettrico, la ricerca procede a vele spiegate. Nuovi materiali vengono sperimentati ogni giorno nel tentativo di realizzare il conduttore perfetto. Questi nuovi materiali hanno una struttura bidimensionale (silicone, germanene, fosforene) e sono solo alcuni dei nuovi materiali definiti 2D perché con spessore di un solo atomo. Ma ognuno di essi presenta comunque dei limiti; anche se ottimi conduttori, parte dell’energia elettrica che li attraversa viene trasformata in calore a causa delle resistenza opposta al suo passaggio. In pratica questo accade perché gli elettroni nella loro corsa all’interno della materia si scontrano con le altre particelle e in questo sfregamento eccitandole, generano per attrito lo sviluppo di calore. Ma la soluzione a questo problema sembra a portata di mano.

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Lo statene, materiale anch’esso bidimensionale prodotto a partire dallo stagno, consentirebbe agli elettroni di percorrere la sua superficie senza scontrarsi con altri elettroni o atomi evitando la dispersione di elettricità sotto forma di calore.

Questa proprietà dovrebbe essere possibile in virtù del fatto che lo statene è un isolante topologico, ossia un materiale che si comporta come un isolante elettrico al suo interno e come un conduttore sulla sua superficie. In questo modo gli elettroni non posso attraversare il suo centro ma possono muoversi liberamente sulla sua superficie ossia su di un piano.

In pratica, gli elettroni possono mantenere una direzione coerente e la corrente elettrica non viene dissipata sotto forma di calore perché tutte le impurità dello statene non influiscono su questo moto, non rallentandoli, come avviene negli altri materiali.

Un materiale del genere, si proporrebbe come il candidato ideale per la realizzazione di circuiti elettronici se non fosse per il fatto che i suoi scopritori non hanno ancora dimostrato questa incredibile capacità.

Peide Ye e gli altri ricercatori della Purdue University di West Lafayette in Indiana negli Stati Uniti, stanno ancora lavorando per poter dimostrare questa incredibile capacità dello statene, forse non  ancora dimostrata a causa di un processo di produzione errato che potrebbe aver compromesso le proprietà di isolante topologico.

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LEGNO TRASLUCIDO

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Apr 212016
 

Il legno come materiale da costruzione lo conosciamo tutti. E conosciamo tutti le sue intrinseche proprietà e qualità. Negli anni la tecnologia nell’uso di questo materiale si è evoluta facendogli raggiungere traguardi una volta impensabili, basti pensare al legno lamellare resistente come un acciaio ma pur sempre realizzato con lo stesso materiale.

Ma fino ad oggi nessuno si era spinto fino questo livello, creando un nuovo tipo di legno capace di oltrepassare pure i suoi naturali limiti fisici.

I ricercatori dell’università della KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, sono riusciti ad alterare le sue caratteristiche fisiche fino a farlo diventare trasparente, o meglio traslucido.

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Per ottenere questo miracolo, i ricercatori dell’Università svedese, hanno elaborato un processo alquanto sofisticato. Hanno per primo tolto la lignina dal legno, la fibra naturale che lo costituisce e che ne determina anche la colorazione. Per cui il legno così trattato è diventato bianco. A questo punto è stato aggiunto un polimero, il metil metacrilato prepolimerizzato (PMMA) capace di cambiare l’indice di rifrazione della luce del legno mantenendone la struttura. In questo modo, alterando la densità della cellulosa, è possibile alterare le sue proprietà ottiche modificandone di conseguenza anche il grado di trasparenza.

Le possibili applicazioni sono diverse: una prima sperimentazione è stata effettuata provando a sostituire il vetro delle finestre con questo nuovo materiale traslucido. Il legno risulta essere molto più leggero del vetro e allo stesso tempo molto più resistente; abbassa anche il costo di produzione e potendo variare il grado di densità è possibile ottenere finestre più o meno trasparenti, quindi in grado di far passare la luce e di garantire la privacy agli occupanti.

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Ma la vera rivoluzione verrebbe dalle celle solari trasparenti. Il tessuto del legno, infatti, provoca una maggiore dispersione della luce a causa della propria struttura interna per cui, la luce, verrebbe trattenuta sul materiale per un tempo assai più lungo di quello che accade sul normale vetro. Applicando piastrine solari trasparenti su questa superficie, l’interazione tra la piastrina e la luce, renderebbe molto più efficenti queste celle solari. Inoltre, il loro costo sarebbe notevolmente inferiore rendendo queste ultime molto più competitive a livello economico ed in grado di confrontarsi con sistemi tradizionali per la produzione di energia. Una massiccia applicazione di questo sistema in architettura consentirebbe notevoli risparmi in ambito energetico e notevoli passi avanti sull’impatto ambientale e il riciclaggio dei materiali.

Il team di studiosi, sta verificando diverse opzioni, testando differenti essenze lignee e prendendo in considerazione soprattutto materiali provenienti da fonti rinnovabili e dal riciclo, in modo da mantenere bassi i costi di produzione.

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I CEROTTI DIVENTANO SMART

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Feb 162016
 

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Oggi la parola SMART, è sicuramente una di quelle più utilizzate, forse in alcuni casi in maniera impropria, ma sta ad indicare un cambiamento, una trasformazione in atto di ogni aspetto della nostra vita quotidiana.

Sempre dalla rete si attingono una gran quantità di informazioni e la mia attenzione questa volta è stata catturata da una piccola ma grande innovazione. Pare, infatti, che i cerotti, si quelle piccole striscette adesive che mettiamo sulle ferite, stiano per subire una trasformazione epocale.

I cerotti che sono stati sviluppati dal MIT, sono composti da idrogel, un materiale elastico, appiccicoso e trasparente da applicare sulle ferite in grado di velocizzare la guarigione delle stesse.

Il MIT è riuscito a riprodurre, dopo diversi tentativi falliti, il materiale di cui sono costituiti gli animali, ossia l’idrogel un gel composto da reti polimeriche legate a molecole di acqua. Ci sono riusciti sfruttando le caratteristiche del poliacrilammide, una macromolecola che contiene unità ripetitive di diverso tipo.

Cerotti01

I vantaggi sono molteplici: innanzitutto è applicabile facilmente su ogni tipo di ferita in qualsiasi punto del corpo, grandissima resistenza sia ai liquidi che alle sollecitazioni meccaniche e cosa incredibile, data la loro natura, consentono di inserire all’interno medicinali per un suo rilascio graduale, sensori, chip e altri strumenti elettronico-medicali.

Questo gel, composto prevalentemente da acqua (90%), presenta, come detto, una resistenza meccanica straordinaria. Una volta applicato sulla ferita, la sua resistenza è paragonabile a quella che tiene unite le cartilagini umane con i tendini. In questo modo ogni tipo di ferita potrà essere ricoperta e protetta dal gel dimenticando la scomoda, ma purtroppo frequente, attitudine dei cerotti a staccarsi dalla ferita.

I sensori posizionati al suo interno garantiranno anche un rilascio graduale del farmaco di cui può essere imbibito il cerotto, in base alla temperatura corporea o a altri parametri registrati dal sensore stesso.

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Io studio: IL VETRO

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Gen 132016
 
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Il vetro ha origini molto antiche e ancora oggi è difficile stabilire con certezza quale popolo possa vantarne la scoperta. Anticamente furono i popoli della Mesopotamia, ad utilizzare il vetro nel III millennio, forgiandone delle perline. Successivamente anche gli Egizi appresero questa arte che utilizzarono nella produzione di oggetti artistici. I Romani, seppur in maniera rudimentale, crearono le prime finestre con i vetri ma ciò aveva un prezzo esorbitante tale che solo i patrizi potevano permettersele.

VETRO: MATERIE PRIME

Vetro04La silice (SiO2, biossido di silicio) la comune sabbia, è la più importante materia prima per la produzione del vetro. Tuttavia la silice naturale non ha, in generale le caratteristiche necessarie per la produzione del vetro, sia perché forma dei minerali complessi con altri ossidi sia perché contiene degli elementi come il ferro che, anche in piccola quantità, danno al vetro una colorazione indesiderata (verde). Solo silice che contiene meno dello 0,1% di ossido di ferro (Fe2O3) può essere usata per la produzione di lastre e per il vetro usato nell’ottica la quantità accettabile è ancora più bassa, meno dello 0,001%. Nessuna sabbia naturale è in grado di rispondere ai requisiti del vetro per l’ottica; per questo, anche le sabbie dei migliori giacimenti devono essere ulteriormente purificate con speciali trattamenti.

LE PROPRIETA’

Proprietà del vetro

FASI DI LAVORAZIONE

La fabbricazione del vetro si articola in quattro fasi:

  • fusione,
  • formatura,
  • ricottura,
  • finitura.

Fusione: è la fase iniziale, durante la quale, la carica, formata da componenti diversi tra loro, viene polverizzata e mescolata a rottami di vetro che agiscono da fondente.

Il secondo momento della fusione è detto affinaggio o affinazione: essa rappresenta l’operazione in cui la massa fusa viene privata di tutte le bollicine di gas presenti, che potrebbero dare origine a difetti. E’ possibile, a questo punto, operare una decolorazione del vetro, tramite l’ossidazione di sali di ferro. La fusione si conclude con la fase di riposo o di condizionamento, durante la quale la massa fusa viene raffreddata gradualmente fino alla temperatura di foggiatura o di formatura.

Formatura: viene eseguita in diverse modalità quando il vetro è ancora fluido e si trova in un campo di temperatura nel quale assume viscosità tale da poter essere lavorato e da conservare la forma data, senza alterazioni.

Ricottura: consiste in un riscaldamento del vetro fino ad una temperatura che serve ad eliminare le torsioni che si generano durante la formatura e che rendono difficile le operazioni di finitura. La scelta della temperatura e della velocità di raffreddamento sono in funzione del tipo di vetro e del suo spessore. Dopo aver raggiunto la temperatura dovuta, l’oggetto viene mantenuto in tale stato per un periodo sufficiente; quindi viene raffreddato lentamente fino a una temperatura inferiore di 50 °C, ed infine viene portato rapidamente a temperatura ambiente.

Finitura: sono le lavorazioni successive al raffreddamento, quando il vetro oramai è pronto. Vediamo alcune di seguito.

TIPI DI FINITURA
FORATURA:

Vetro05ll vetro può essere forato al trapano con apposite punte diamantate, adeguatamente refrigerate con getto continuo d’acqua. La foratura può essere eseguita da trapani per vetro manuali o a controllo numerico. I fori non devono essere troppo vicini al bordo per evitare rotture dovute alle tensioni interne del pezzo.

TAGLIO:

Vetro06Il taglio di piccoli pezzi può essere eseguito a mano con strumenti appositi, ma in generale viene eseguito da un banco di taglio. Questo è un macchinario a controllo numerico che presenta un piano fisso, solitamente vellutato e con fori per generare un cuscino d’aria (utile per lo spostamento del vetro), che viene chiamato anche “pantografo”. Sopra di questo vi è un ponte mobile che tramite un tagliavetro fornito di rotella in carburo di tungsteno o diamante sintetico pratica incisioni sul vetro a seconda della programmazione eseguita.

vetro07

CURVATURA:

Vetro08Il vetro curvo è un vetro sottoposto ad un procedimento di riscaldamento graduale ad alte temperature (tra i 500 e i 750 °C circa), fino a diventare abbastanza plastico da aderire ad uno stampo concavo o convesso, disposto all’interno del forno di curvatura. Il vetro viene raffreddato molto lentamente (“detensionamento” o “ricottura” del vetro), per evitare di indurre tensioni che ne precluderebbero un’eventuale successiva lavorazione o che potrebbero innescare fenomeni di rottura spontanea del materiale.

SMERIGLIATURA:

Vetro11Esistono tre modi per smerigliare il vetro:

  1. sabbiatura, che viene eseguita con uno strumento molto particolare che “spara” la sabbia ad alta velocità, scalfendo il vetro.
  2. acidatura, una speciale pasta, molto acida, che va spennellata nel vetro e lasciata asciugare almeno 24 ore. Dopo il periodo di asciugatura, la pasta va eliminata con una lama, che completa l’abrasione del vetro.
  3. smerigliatura, usando un piccolo smerigliatore per unghie, si usa come una penna.

Per riuscire a seguire il disegno correttamente, senza sbavature, per tutti e tre i sistemi è necessario eseguire alcuni passaggi. Pulire perfettamente il vetro con dell’alcol puro per togliere qualsiasi residuo dalla superficie. Quindi il vetro va ricoperto con la carta adesiva; la carta deve aderire perfettamente, senza bolle d’aria. Si traccia il disegno con un pennarello indelebile. Aiutandosi con un taglierino ben affilato, s’intagliano le parti che si vogliono smerigliare. Viene asportata la carta adesiva in eccesso.

MOLATURA:

Vetro25Il vetro viene sottoposto a una operazione di molatura quando si deve eliminare il bordo che dopo il taglio diventa tagliente e dalla forma irregolare. La molatura quindi è l’operazione che trasporta e re-uniforma definitivamente il bordo del vetro.

TEMPRA:

La tempra è il raffreddamento termico che avviene per indurire il vetro. Il vetro viene tagliato in modo adeguato, viene riscaldato su un tavolo a rulli a 640° e subito dopo viene raffreddato da un getto d’aria fredda in modo da raffreddarne solo l’esterno e lasciare l’interno caldo e malleabile.

LAVORAZIONE ARTIGIANALE: MURANO

Vetro13Il vetro di Murano è uno dei più preziosi vetri che vengono realizzati in Italia. Lo si realizza, secondo tradizioni antiche, sulla famosa isola di Murano, vicino Venezia. La scelta di questa isola per realizzare i vetri non fu affatto casuale. I primi forni vi furono installati nel 1291, sia perché Murano era fuori dal centro cittadino, quindi eventuali incendi non avrebbero arrecato grandi danni (i forni all’epoca erano realizzati in legno), sia perché si trovava di tramontana rispetto a Venezia, quindi i fumi della produzione non avrebbero raggiunto la città principale. Esistono diverse tecniche con le quali i mastri vetrai, oggi, producono i loro preziosissimi oggetti, a seconda del tipo di vetro devono realizzare: vetro di Murrina, vetro in piastra, vetro a lume, vetro soffiato.

FLOAT GLASS

Vetro14Per quanto concerne la produzione di vetro piano, a partire dalla fine degli anni Cinquanta è stato introdotto il processo float (Pilkington) in sostituzione dei precedenti metodi di tiratura. Nel processo denominato float glass, la pasta vitrea, proveniente dalla vasca di miscelazione (crogiolo) alla temperatura di 1100 °C, assume forma perfettamente piana in un forno a tunnel la cui base è formata da un letto di 7cm di stagno fuso. Lo stagno leviga la superficie inferiore del vetro per diretto contatto, mentre la parte superiore si appiattisce per gravità essendo ancora allo stato semifuso.

Dei rulli immersi nello stagno, fanno poi avanzare il vetro all’interno della camera di ricottura, dove la temperatura viene gradualmente abbassata. Una volta raffreddato, il vetro passa alla camera di taglio dove uno strumento dotato di punte diamantate, provvedete al taglio della lastra nelle dimensione desiderate.

Queste vengono infine pacchettizzate e spedite agli acquirenti.

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ALCUNI TIPI DI VETRO
VETRO COMUNE:

Vetro17Appartiene alla più vasta produzione vetraria. Commercialmente viene distinto in base al colore: bianco (perfettamente decolorato), mezzo bianco, colorato. In funzione all’ impiego che se ne deve fare, viene scelto l’ossido più adatto (calcio, bario, zinco …).

VETRO PER OTTICA:

Vetro21Questo tipo di vetro è destinato alle lenti di occhiali, microscopi e cannocchiali, agli obbiettivi delle macchine fotografiche e delle telecamere: deve essere quindi particolarmente raffinato.

VETRI DI SICUREZZA:

Vetro22La fragilità del vetro e la formazione di piccoli e taglienti schegge costituiscono un serio ostacolo all’impiego delle lastre nelle costruzioni edili. Sono stati quindi studiati vari sistemi per aumentare il grado di sicurezza del vetro. Si fabbricano infatti vetri temperati, oppure vetri retinati (per la presenza di una rete metallica all’interno della lastra).

VETRO IN FIBRE:

Vetro23Le fibre di vetro possono avere un diametro da 1 a 8 micron; notevole è anche l’elasticità alla trazione. Per soffiatura con aria e vapore si ottengono fibre corte e continue, adatte per pannelli isolanti. I vetri per fibre sono: i vetri tessili (paraurti di automobili, scafi di barche, attrezzi sportivi ecc.) lana di vetro o lana di roccia (isolamento di edifici, pareti di frigoriferi, forni, stufe ecc.) e fibre ottiche (telecomunicazioni).

VETRO CAMERA:

Vetro24E’ composto da due o più lastre; all’interno della vetrata è presente aria disidratata oppure gas isolante. Il vetrocamera garantisce un alto isolamento termico e acustico.

IL VETRO E IL RICICLO

Vetro15Il vetro è l’unico materiale a possedere una dote preziosa: la riciclabilità totale. Il riciclaggio del vetro consente di risparmiare le materie prime (minerali, sabbia) necessarie per la sua produzione. Il vetro è il materiale “ecologico” per eccellenza. Non è inquinante ed è riutilizzabile per un numero illimitato di volte. Se abbandonata, una bottiglia di questo materiale si decompone solo dopo 4.000 anni. Per questo, è fondamentale separare accuratamente il vetro. Ovviamente, il cosiddetto “rottame di vetro” non può essere riciclato così com’è, deve essere sottoposto a numerose verifiche per eliminare le “impurità” che contiene.

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UNO SCHERMO INDISTRUTTIBILE

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Gen 122016
 

Iniziano a vedersi le prime applicazioni pratiche nell’uso del GRAFENE, il miracoloso materiale scoperto da poco tempo, le cui caratteristiche e proprietà lo rendono a dir poco straordinario.

Schermo grafene

Questo materiale, spesso circa 1/100.000 di un foglio di carta può essere stirato e piegato all’infinito senza mai rompersi, è assolutamente impermeabile e presenta una resistenza meccanica superiore a quella del migliore acciaio e una durezza ancora superiore a quella del diamante che nella scala di Mohs risulta essere il materiale più duro sul nostro pianeta.

scala-di-mohs

Scala di Mohs

Una delle prime applicazioni del grafene per uso pratico è stata da poco dimostrata al CES di Las Vegas, la fiera dell’informatica e dell’Innovation Technology più importante al mondo.

Alcuni produttori di pellicole di vetro per smartphone, sono riusciti a sviluppare una miscela di vetro e grafene capace di resistere ad urti terribili e stress test infiniti senza subire alcun danno. Sto parlando dell’UU GLASS, un particolare composto che ha resistito a 200.000 urti consecutivi, sollecitazioni di compressione e resistenza a graffi continuati con materiali molto duri e taglienti.

La società produttrice, ha mostrato la speciale pellicola per cellulari, capace di rendere indistruttibile il device a qualunque urto. Un video mostra le proprietà di questa pellicola e la sua capacità di resistere a sollecitazioni ben superiori a quelle cui viene normalmente sottoposto un telefonino. La resistenza è dovuta alla presenza del grafene appunto impiegato per la prima volta in un prodotto del genere.

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MATERIALI VIVENTI

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Nov 192015
 
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Ogni fenomeno, ogni avvenimento, ogni evento che accade in natura, colpisce l’inconscio di ciascuno di noi e per alcuni in particolare, artisti e architetti, diventano elementi di grande ispirazione per la realizzazione delle proprie creazioni. Il mondo è pieno di opere frutto di ispirazione tratte dalla natura, dagli edifici della bio-architettura ai nuovi materiali.

FacciateBioMimetiche03Basandosi proprio sui fenomeni naturali, uno studente del Master in Product Design al Royal College of Arts di Londra, Chao Chen, ha ideato un sistema capace di proteggere le facciate basato sulla bio-mimetica. In pratica, passeggiando in una giornata piovosa in Hyde Park, la sua attenzione è stata catturata dall’osservazione di un fenomeno naturale abbastanza comune. Le pigne degli,alberi del parco, a contatto con le gocce di pioggia, allungavano il loro guscio esterno in modo da evitare il contatto dei pinoli con l’acqua piovana. Da un’osservazione più attenta del frutto, si è reso conto che questo è composto da due strati uno interno ed uno esterno capaci di modificare la propria struttura in modo da proteggere il frutto dall’acqua.

Affascinato da questo fenomeno naturale, Chen ha cominciato a studiare il bio-mimetismo. L’idea era quella di poter applicare i risultati di queste scoperte ad ambiti diversi come l’architettura e l’ingegneria. L’acqua da sempre rappresenta infatti il nemico principale per architetti e progettisti nella realizzazione di edifici capaci di resistere agli agenti atmosferici.

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Il risultato di questa ricerca, è un materiale laminato capace di reagire all’umidità. In pratica questo laminato, a seconda il grado di umidità presente sulla sua superficie, riesce a modificare naturalmente, senza l’ausilio di sistemi elettronici o meccanismi, la propria forma, allungando le fibre e ritraendole in caso di assenza di umidità.

FacciateBioMimetiche06I campi e le prospettive che si sono aperti sono molteplici. Ad esempio in campo agricolo è possibile verificare l’umidità del suolo così da poter intervenire in modo opportuno all’irrigazione dei campi. Una lamina con colorazioni differenti sulle due superfici reagisce con l’umidità e cambia colore avvisando della necessità di acqua per il terreno.

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In campo architettonico, invece, Chen ha sperimentato una pensilina composta da lamelle capaci di chiudersi ermeticamente a contatto con l’acqua impedendone il passaggio così da proteggere le persone che vi soggiornano sotto. Al contrario in assenza di acqua le lamelle si aprono consentendo alla luce di passare generando un filtraggio della stessa con un effetto albero.

FacciateBioMimetiche04

Il prototipo più interessante è quello che realizza una facciata dinamica per un edificio. Si tratta di una serie di elementi romboidali uniti attraverso dei perni come fossero i petali di un fiore. Ogni elemento è libero di incurvarsi o di raddrizzarsi. In questo modo nelle giornate di pioggia i petali si distendono impedendo di fatto il passaggio dell’acqua, mentre quando il tasso di umidità cala, i petali si curvano nuovamente permettendo il passaggio della luce solare e del calore.

FacciateBioMimetiche07

I colori sono tenui e chiari proprio per rendere luminose le facciate degli edifici nelle giornate cupe e piovose e rappresentano un ottimo connubio tra design e innovazione.

Prima di poter essere immesse sul mercato e prodotte in serie, le facciate bio-mimetiche, dovranno essere sottoposte ad una serie di test che ne certifichino la qualità e la resistenza. Infatti bisognerà verificare la loro resistenza ai fenomeni atmosferici o quante volte ad esempio il materiale può curvarsi e tornare nello stato originale.

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LA PLASTICA CHE GUARISCE DA SOLA

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Mag 172014
 

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Non tutti sanno che le materie plastiche (e mi riferisco a quelle sintetiche, ossia ottenute dalla raffinazione degli idrocarburi) una volta policondensate o polimerizzate, ossia formate attraverso l’aggregazione di molecole semplici che si chiamano “monomeri”, producono due tipi di sostanze denominate termoplastiche e termoindurenti.

Le prime, sono quelle che se sottoposte a calore dopo la prima lavorazione tornano ad uno stato plastico e quindi lavorabili (riciclabili), mentre le seconde una volta formate non possono più cambiare la loro forma e se sottoposte a calore bruciano emettendo sostanze tossiche (non riciclabili).

Questo fino ad ora. Infatti, la dottoressa Jeanette Garcia dell’Almaden Research Center di IBM ha scoperto una nuova classe di polimeri, soprannominato PHT, per un caso felice. Lei stava lavorando ad un materiale ad alta resistenza. Ma per puro caso ha tralasciato un ingrediente. Il risultato è stato qualcosa di molto diverso da quello che si aspettava. Ha dovuto rompere la sua provetta per tirarlo fuori, e ha poi verificato che era praticamente indistruttibile. A questo punto una squadra di esperti è stata impegnata a lavorare sulla chimica computazionale per risalire a quale casuale percorso aveva portato a un tale risultato e alla creazione del nuovo materiale.

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Il nuovo polimero al microscopio

Questo nuovo materiale è resistentissimo e aggiungendo nanotubi di carbonio si è riusciti ad aumentare di un ulteriore 50% la sua già alta resistenza avvicinandosi a quella dei metalli. Vantaggi? Applicazioni? Infinite. E’ un materiale dalla resistenza simile a quella di un metallo ma pesando molto meno, totalmente bio-degradabile, resistente ai solventi, ma la cosa più incredibile è quella che viene definita auto-guarigione. Di cosa si tratta? La nuova plastica, tagliata in due, può essere ricomposta come un solo pezzo in maniera molto semplice, autoguarendo la sua “ferita”. Un miracolo della chimica, in pratica.

Quali le possibili applicazioni delle nuove plastiche? Aerospaziali, collanti, informatica, medicina, e molte altre.

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Video1

Articoli1

I METALLI

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Mar 302014
 

Prefazione prof. Betto

Un altro ottimo lavoro realizzato questa volta da tutti gli alunni della classe 2.0 durante l’attività di Flipper Class. Quattro isole, quattro gruppi di lavoro che hanno prodotto in sinergia le differenti parti di questo argomento, sviscerandolo e poi sintetizzandolo per realizzarne un documento di studio. Partendo dalla mappa concettuale gli alunni hanno assemblato in un unico documento digitale il lavoro che vi presento qui di seguito. Buona lettura.

I METALLI
Indice degli argomenti
titolo gruppo
METALLI Favignana
I METALLI NELLA STORIA Favignana
PROPRIETA’ FISICHE Sardegna
PROPRIETA’ MECCANICHE Sardegna
PROPRIETA’ TECNOLOGICHE Sardegna
NON METALLI Favignana
SEMI-METALLI Favignana
LEGHE METALLICHE Favignana
SIDERURGIA Sicilia
FERRO E LE SUE LEGHE Sicilia
ALTOFORNO E GHISA Sicilia
CONVERTITORE E ACCIAIO Sicilia
IL LAMINATOIO Sicilia
METALLURGIA Salina
IL RAME E LE SUE LEGHE Salina
L’ALLUMINIO E LE SUE LEGHE Salina
ALTRI METALLI Salina

Sono un gruppo di elementi chimici con determinate caratteristiche: sono generalmente resistenti e brillanti, e soprattutto sono buoni conduttori di elettricità e di calore. La maggior parte dei metalli sono opachi, cioè non si può guardarvi attraverso e a temperatura ambiente sono solidi. Alcuni elementi, come il sodio, sono estremamente reattivi, cioè tendono a reagire con altri elementi per formare composti. Altri, come l’oro, non lo sono quasi per niente.

Tavola Periodica degli Elementi

Tavola Periodica degli Elementi

I METALLI NELLA STORIA

ts1262v3-41Durante tutto il Paleolitico e buona parte del Neolitico, il materiale più usato fu la pietra. Gli oggetti in pietra erano però di difficile lavorazione.

Verso il 4000 a.C. alcuni artigiani scoprirono che alcune “pietre”, se riscaldate al punto giusto, si liquefacevano: fu così che l’uomo venne a contatto con i metalli. Il primo metallo a essere usato fu il rame che, in quell’epoca, nell’area del Mediterraneo, si trovava allo stato nativo, cioè puro e non unito ad altre sostanze. Le “pietre” di rame venivano riscaldate fino a quando si scioglievano e poi il metallo fuso veniva colato in stampi. Grazie al rame fu possibile costruire strumenti non fabbricabili con la pietra e, in caso di rottura, bastava fondere nuovamente lo strumento rotto e colarne uno nuovo.

Verso il 3000 a.C. però il rame nativo si esaurì e fu necessario utilizzare rocce che contenevano, oltre al rame, altri minerali. Questo rese più difficoltoso il processo di estrazione e lavorazione, ma le difficoltà vennero via via superate, mentre la richiesta di oggetti di rame aumentava, tanto che cominciarono a essere organizzate spedizioni marittime per andare a rifornirsi ovunque fosse possibile.

Anche le scoperte riguardanti la lavorazione dei metalli non si arrestavano. Fu scoperto, infatti, che, se invece di usare un solo metallo, se ne fondevano assieme due, si otteneva una lega, più resistente e quindi adatta a produrre oggetti prima non fabbricabili. La prima lega scoperta dall’uomo fu il bronzo, una lega di rame e stagno. Il procedimento per fabbricare oggetti di bronzo era identico a quello usato per fabbricare oggetti in rame; lo stagno era però poco o per nulla presente nell’area del Mediterraneo orientale, quindi fu necessario organizzare spedizioni marittime verso la Spagna e l’Inghilterra, dove questo metallo era presente in grande quantità.

Verso il 1200 a.C. gli uomini impararono a usare un nuovo metallo, il ferro, anche se inizialmente ci furono notevoli difficoltà relative alla sua lavorazione.

PROPRIETA’

Mappa concettuale proprietà

Mappa concettuale sulle Proprietà dei Metalli

PROPRIETA’ FISICHE E CHIMICHE

  • Massa volumica: la massa volumica è il rapporto fra la massa e il volume.
  • Corrosione: fenomeno chimico che provoca il graduale deterioramento di una sostanza solida, per lo più un metallo, per effetto di agenti esterni.
  • Conduttività termica: la conduttività termica descrive il trasporto di energia sotto forma di calore.
  • Conducibilità di elettricità: misura della capacità di un materiale a condurre una corrente elettrica.
  • Temperatura di fusione: la temperatura di fusione è la temperatura alla quale un materiale passa dallo stato solido a quello liquido.

PROPRIETA’ MECCANICHE

  • Trazione: forza che agisce su un corpo in modo da provocarne l’allungamento nella direzione della forza stessa.
  • Compressione: quando le forze dirette lungo l’asse tendono ad accorciare il metallo.
  • Taglio: un corpo è sollecitato dal taglio quando le forze applicate tendono a far scorrere uno sull’altro due piani vicini.
  • Torsione: un corpo è sollecitato a torsione quando le forze applicate tendono a torcere le sue fibre.
  • Flessione: un corpo è sollecitato a flessione quando le forze applicate perpendicolarmente al suo asse tendono a curvarlo.
  • Durezza: è la resistenza che il materiale oppone alla penetrazione di una punta cioè alla scalfitura e non alla facilità che ha un minerale di rompersi.
  • Fatica: è la resistenza dei materiali a sforzi variabili e ripetuti.

PROPRIETA’ TECNOLOGICHE

  • Fusibilità: la fusibilità è l’attitudine di un materiale a essere trasformato in prodotto finito mediante fusione.
  • Malleabilità: la malleabilità è l’attitudine di un materiale a essere trasformato in lamine.
  • Duttilità: la duttilità è l’attitudine di un materiale a essere trasformato in fili senza rompersi quando sono tirati.
  • Saldabilità: la saldabilità è l’attitudine di un pezzo a unirsi con un altro pezzo mediante fusione.
  • Temprabilità: la temprabilità è l’attitudine delle leghe metalliche a trasformazioni della struttura cristalline.

NON METALLI

I non metalli sono quegli elementi chimici che presentano un aspetto opaco e sono cattivi conduttori di elettricità e di calore. Sono situati a destra della tavola periodica (tranne l’idrogeno che è in alto a sinistra) e presentano caratteristiche fisiche opposte a quelle dei metalli. A temperatura e pressione ambiente esistono in tutti gli stati di aggregazione della materia: possono essere allo stato gassoso (come l’ossigeno e l’azoto), allo stato liquido (come il bromo) e allo stato solido (come il carbonio e lo zolfo). Sono fragili e hanno solitamente bassi punti di fusione. Sono non metalli i seguenti elementi: Azoto, Idrogeno, Carbonio, Ossigeno, Fluoro, Fosforo, Zolfo, Cloro, Selenio, Bromo e Iodio. Fanno parte dei non metalli anche i gas nobili.

SEMI-METALLI

I semimetalli sono elementi che hanno proprietà intermedie tra quelle dei metalli e quelle dei non metalli. Hanno aspetto lucente, conducibilità termica ed elettrica (come i metalli), fragilità, mediocre conduzione elettrica (come i non metalli). Se si combinano con elementi a carattere non metallico hanno un comportamento simile a quello dei metalli, mentre se si combinano con elementi a carattere metallico hanno un comportamento simile a quello dei non metalli. A temperatura ambiente sono allo stato solido e sono sette: silicio, germanio, antimonio, arsenico, boro, tellurio, astato.

I principali elementi semimetalli sono:

Chip

Silicio: è per abbondanza il secondo elemento della crosta terrestre. Grazie alla sua caratteristica di semiconduttore viene utilizzato per la costruzioni di numerosi strumenti elettronici. Combinato con l’ossigeno forma la silice.

Germanio: è poco abbondante ma molto diffuso. È un semiconduttore e viene utilizzato nella produzione di lenti per strumenti ottici e di transistor.

Antimonio: è poco abbondante in natura. Composto con il piombo viene utilizzato per la produzione di pallini da caccia. Alcuni suoi composti vengono utilizzati in medicina. 

LEGHE METALLICHE

Le leghe metalliche sono materiali ottenuti miscelando tra loro due o più metalli e altri elementi per ottenere prodotti di migliore qualità, per esempio meno soggetti all’arrugginimento o più duri o più flessibili. La maggior parte degli oggetti metallici attorno a noi è costituita da leghe, come nel caso del bronzo, dell’ottone e dell’acciaio; anche l’oro dei gioielli, in realtà, è una lega! Leghe metalliche sono utilizzate anche in campo medico, per esempio nelle protesi o nelle otturazioni dentarie.


LA SIDERURGIA

ciclo siderurgicoLa Siderurgia è il processo industriale della Metallurgia che si occupa della lavorazione del ferro.

Comincia con l’estrazione dei minerali metalliferi contenenti il ferro (che non si trova allo stato puro in natura) dalle cave o dalle miniere. Come per molti metalli, si effettua la frantumazione dei minerali estratti ed una successiva macinazione. Questi vengono lavati da polveri ed impurità e categorizzati a seconda della concentrazione dei metalli contenuti mediante separazione magnetica o gravitazionale. Seguono poi le operazioni di flottazione, vagliatura, calibratura, essiccazione, calcinazione e arrostimento dei minerali. A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni.

FerroFERRO

Il ferro è più usato di tutti i metalli, formando il 95% di tutto il metallo prodotto universalmente. La combinazione di basso costo ed alta resistenza lo rendono indispensabile: le sue applicazioni vanno da contenitori alimentati a automobili famigliari, dai cacciaviti alle lavatrici, dalle navi da carico alle graffette per la carta. Il ferro è il metallo più abbondante sulla terra ed è considerato il decimo elemento più abbondante nell’universo. Il ferro è inoltre (34,6% in massa) l’elemento più abbondante che forma la terra; la concentrazione di ferro nei vari strati varia da molto alta nel nucleo interno a circa 5% nella crosta esterna. La maggior parte di tale ferro si trova in vari ossidi di ferro, come i minerali ematite, magnetite e taconite. Il nucleo della terra è ritenuto essere formato in gran parte da una lega metallica di ferro-nichel. Il ferro è essenziale per gli esseri viventi, dai microorganismi agli esseri umani. La produzione mondiale di ferro nuovo è pari a oltre 500 milioni di tonnellate all’anno e di ferro riciclato aggiunge altre 300 milioni tonnellate. Le riserve economicamente sfruttabili di minerali ferrosi superano i 100 miliardi di tonnellate. Le zone estrattive principali sono la Cina, il Brasile, l’Australia, la Russia e l’Ucraina, con quantità rilevanti estratte negli Stati Uniti, in Canada, Venezuela, Svezia e in India.

ALTOFORNO E PRODUZIONE DELLA GHISA

ALTOFORNO

Altoforno

L’altoforno è un forno a funzionamento continuo per la fabbricazione della ghisa. È costituito da un’alta torre in muratura, formata da due tronchi di cono disuguali, quello superiore più lungo e quello inferiore più corto, raccordati da un elemento cilindrico. Il tino termina in alto con un orifizio (bocca); la sacca termina in fondo con un corto pozzo cilindrico detto crogiolo. La torre viene caricata, attraverso la bocca, con strati alterni di minerale (ossidi, preferibilmente piuttosto ricchi di ferro, come ematiti, limoniti, magnetiti), fondente (calcare, dolomite, silice e talvolta bauxite, utili a fornire una scoria fluida e a favorire quindi la discesa della carica) e coke (che viene acceso dal basso). L’ossido di carbonio, proveniente dalla combustione del coke, percorrendo in controcorrente l’intera torre, riduce i minerali a ferro, che si fonde nel crogiolo, uscendo sotto forma di ghisa assieme alle scorie, parimenti fuse. Il gas che fuoriesce in alto dalla bocca (una miscela di azoto, anidride carbonica, ossido di carbonio e idrogeno), bruciando completamente. Il gas è bruciato per circa il 25-30% entro i recuperatori Cowper, per riscaldare l’aria da insufflare attraverso gli ugelli, mentre il quantitativo restante può essere impiegato per scopi vari di processo. Tra gli impianti di più antica concezione (risale in forma primitiva al 13° sec.).


LA GHISA

GhisaLa ghisa è una lega ferro-carbonio, contenente anche altri elementi, come silicio, manganese, zolfo, fosforo, in percentuali varie, caratterizzata da un tenore di carbonio compreso fra l’1,9% e il 5,5%.

La ghisa che si ottiene direttamente nell’altoforno dai minerali di ferro, tramite processi detti siderurgici, è detta ghisa d’altoforno oppure ghisa di prima fusioneghisa madre, ghisa greggia e viene prevalentemente usata per produrre, mediante affinazione, i diversi tipi di acciaio.

Proprietà: è dura, fragile, resiste poco alla trazione e alla flessione, è resistente alla compressione e alla corrosione; la ghisa non può subire lavorazioni plastiche in quanto non è malleabile, né a caldo né a freddo; possiede un’ottima fusibilità: fonde a temperatura non molto elevata, è fluida, dà getti sani  e compatti, e consente una facile realizzazione di pezzi anche molto complicati.

IL CONVERTITORE

work-in-progress


L’ACCIAIO

L’acciaio in Metallurgia costituisce la categoria di prodotti industriali più importante nel mondo. Queste leghe si dividono in due grandi categorie:

  1. l’acciaio, malleabile e tenace, con tenori di carbonio compresi fra lo 0,09 e l’1,7%;
  2. la ghisa, fragile con colabilità in getti, con un contenuto di carbonio fra il 2 e il 4%.

L’acciaio si ottiene per affinazione della ghisa, decarburandola e depurandola al massimo dalle impurità dannose, soprattutto zolfo e fosforo, e correggendo contemporaneamente il tenore di altri elementi, quali silicio e manganese.

In passato l’acciaio era ottenuto direttamente dal minerale di ferro, il quale, ridotto dal carbone di legna, dava una ghisa che nella parte più calda del forno, dove entrava l’aria, si trasformava in acciaio (basso-fuoco catalano). Le dimensioni del forno vennero gradualmente aumentate per accrescere la produzione, ma seguendo questo metodo si arrivò alla realizzazione dell’altoforno per la sola produzione di ghisa, la quale doveva essere poi decarburata in un altro forno (basso-fuoco prima, convertitore e forno a suola poi, tuttora impiegati).

Le materie prime per la produzione dell’acciaio sono:

  1. la ghisa greggia, proveniente dall’altoforno, che viene affinata (riduzione della percentuale del carbonio e delle impurità) ;
  2. il rottame di ferro, derivato da recuperi civili e industriali ;
  3. le ferroleghe, che sono leghe di ferro particolari, che non hanno impiego autonomo ma vengono appunto preparate per essere usate nella produzione di acciai e ghise speciali; contengono una percentuale di carbonio generalmente molto bassa (dallo 0,1% all’1%), con massiccia presenza (che può superare l’80%) di altri elementi come silicio, manganese, cromo, nichel, cobalto ecc… che vengono aggiunte agli acciai per migliorarne le caratteristiche.

LA SIVIERA

SivieraHa la forma di una grande secchia, ed è costituita da un involucro di robusta lamiera rivestita internamente da materiale refrattario. Può avere diverse dimensioni, dalle più grandi, utilizzate nei centri siderurgici, capaci di trasportare fino a 400 tonnellate di metallo e che vengono movimentate e manovrate tramite carroponte o con appositi carri, fino alle più piccole, utilizzate nelle piccole fonderie, che si manovrano a mano tramite lunghe aste che fungono da manici, di cui una a forcella per facilitare il versamento. Un altro tipo di siviera è quella che viene montata su appositi carri ferroviari, per spostamenti più lunghi, e che viene chiamato carro siviera o carro siluro dalla sua forma. La siviera serve per raccogliere il metallo fuso che viene spillato da un forno fusorio, quale ad esempio l’altoforno o il cubilotto, per poi spostarlo fino alla successiva fase di lavorazione, che può essere la colata, il versamento in un convertitore per la produzione dell’acciaio, o un’altra fase del processo produttivo.

Carro siluro

Carro Siluro per il trasporto della ghisa al convertitore

IL LAMINATOIO

E’ un processo di riduzione dell’altezza o cambio di sezione di un pezzo attraverso la pressione applicata tramite due rulli rotanti. La laminazione rappresenta il 90% dei processi di lavorazione per deformazioni ed è stata sviluppata nel 1500, si producono principalmente laminati che si suddividono in: piastre (spessore minore 6 mm) fogli o lamiere (spessore maggiore 6 mm). Si parte da semilavorati da fusioni continue o semicontinue. La prima laminazione viene effettuata a caldo per cambiare la microstruttura da fusione in una grana più fine e regolare per la laminazione.

Laminatoio

Processo di Laminazione


METALLURGIA

La metallurgia è lo studio dei metalli; è il complesso dei trattamenti che devono essere eseguiti sui minerali dopo l’estrazione dalle miniere fino alla preparazione dei metalli e delle leghe per le diverse applicazioni. È definita come l’arte di ridurre i minerali metalliferi (ossidi, carbonati, ecc..) nelle forme e nelle condizioni atte al loro uso.

IL RAME E LE SUE LEGHE

RameIl rame è il metallo che l’umanità usa da più tempo. E’ un metallo di colore rosso o rossastro, di conducibilità elevatissima. È resistente alla corrosione e non è magnetico. È anche molto malleabile, molto resistente alla corrosione (per via di una patina aderente che si forma spontaneamente sulla superficie) e non è magnetico. È facilmente lavorabile, estremamente duttile, ma non è idoneo a lavorazioni con asportazione di truciolo, perché ha una consistenza piuttosto pastosa; i suoi impieghi possono essere per motori elettrici, rubinetti in ottone e per campane di bronzo. Inoltre il rame  è batteriostatico, cioè combatte la proliferazione dei batteri sulla sua superficie.

È molto importante perché è usato come base per produrre altre leghe come, ad esempio il bronzo e l’ottone.

BronziBRONZO – è una lega composta da rame e un altro metallo (alluminio, nikel, stagno, ecc.)  anche se spesso il termine bronzo viene inteso come lega rame-stagno. Queste leghe presentano buone caratteristiche meccaniche e grande resistenza alla corrosione e sono lavorabili plasticamente. I bronzi vengono usati per numerose applicazioni: monete, medaglie, ingranaggi, strumenti musicali.

SaxofonoOTTONE – è una lega di rame e zinco. È diviso in 2 tipi: ottone binario costituito solo da rame e zinco, e ottone ternario quando è presente  anche un altro componente. L’ottone è un materiale duttile, malleabile e ha una buona resistenza alla corrosione. Ha notevoli proprietà acustiche e quindi viene impiegato nella produzione di svariati strumenti musicali.

L’ALLUMINIO E LE SUE LEGHE

AlluminioSi tratta di un metallo duttile color argento. L’alluminio si estrae principalmente dai minerali di bauxite ed è notevole la sua morbidezza, la sua leggerezza e la sua resistenza all’ossidazione, dovuta alla formazione di un sottilissimo strato di ossido, impedisce all’ossigeno di corrodere il metallo sottostante. L’alluminio grezzo viene lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura o lo stampaggio. L’alluminio viene usato in molte industrie per la fabbricazione di milioni di prodotti diversi ed è molto importante per l’economia mondiale. Le sue leghe sono il duralluminio, anticorodal, silumin, avional, ecc.

2010…J…^…“…O-00L”ƒout.pdfDURALLUMINIO – è una lega che ha assunto grande importanza nelle costruzioni aeronautiche. Deve le sue elevate proprietà meccaniche ad uno speciale trattamento termico, che ne aumenta la durezza, la resistenza e la tenacità, trattamento consistente nel temprare il metallo in acqua da 500° e nel lasciarlo invecchiare per alcuni giorni a temperatura ordinaria.

ANTICORODAL – si intende una serie di leghe di alluminio legate con magnesio, caratterizzate da buone caratteristiche meccaniche e ottima resistenza alla corrosione.

ALTRI METALLI

MercurioMERCURIO – è un metallo che in natura è allo stato liquido. Il mercurio era utilizzato nei termometri e in alcuni apparecchi per misurare  la pressione. Presenta bassa viscosità, elevate densità e tensione superficiale, mentre le conducibilità termica ed elettrica, per quanto elevate, risultano notevolmente inferiori rispetto a quelle degli altri metalli. È  altamente tossico.

OroORO – L’oro è un metallo tenero, pesante, duttile, malleabile di colore giallo. Può assumere anche una colorazione diversa a seconda delle sue leghe: rossa, violetta e nera. L’oro è così duttile che un  grammo d’oro può essere battuto in una lamina la cui area è un metro  quadrato. È usato principalmente per gioielli e ornamenti. Le leghe dell’oro sono:  l’oro verde, l’oro rosa, l’oro giallo, l’oro blu, l’oro bianco . Si usa in gioielleria, odontoiatria e industria elettronica.

Gruppi

Gruppo Segretario Alunni
FAVIGNANA Vitaliano Provvidenza-Longo-Giuffrida
SICILIA Spina Giordano-Bergamo-Maci-Maiorana-Fonti
SALINA Favara Bollo-Di Bella-Ferraro-Guardabasso-Cantarella
SARDEGNA Mollica Gueli-Strazzeri-Paradiso-Micena-Meli

Links

  1. //www.ing.unitn.it/~luttero/TecnologieSistemiLavorazione/Laminazione.pdf
  2. //www.treccani.it/enciclopedia/altoforno_(Dizionario_di_Economia_e_Finanza)/
  3. //ungaretti.racine.ra.it/SeT/macvapor/accighi.htm
  4. //doc.studenti.it/appunti/chimica/3/acciaio.html
  5. //doc.studenti.it/appunti/chimica/3/acciaio.html
  6. //it.wikipedia.org/wiki/Siviera
  7. //www.paginefamily.it/articolo/ferramenta/processo-siderurgico
  8. www.sapere.it
  9. //www.skuola.net/chimica/inorganica/trattazione-metalli
  10. www.scientific.fauser.edu
  11. www.sacrumluce.sns.it
  12. www.wikipedia.org
  13. www.chimica-online.it
  14. www.treccani.it
  15. www.iceuropa.it

IL VETRO

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Feb 202014
 
VETRO

Mappa Concettuale dell’Argomento

Indice
titolo gruppo
CENNI STORICI Sardegna
MATERIE PRIME Sicilia
PROPRIETA’ Sicilia
LAVORAZIONI Salina
LA VETRERIA – TRA INDUSTRIA E ARTIGIANATO  Salina
FLOAT GLASS Sicilia
I TIPI DI VETRO Favignana
IL RICICLAGGIO Favignana

CENNI STORICI

Vetro02Il vetro ha origini molto antiche e ancora oggi è difficile stabilire con certezza quale popolo possa vantarne la scoperta. Anticamente furono i popoli della Mesopotamia, ad utilizzare il vetro nel III millennio, forgiandone delle perline. Successivamente anche gli Egizi appresero questa arte che utilizzarono nella produzione di oggetti artistici. I Romani, seppur in maniera rudimentale, crearono le prime finestre con i vetri ma ciò aveva un prezzo esorbitante tale che solo i patrizi potevano permettersele. Il vetro naturale, o ossidiana, è in uso fin dall’antichità.

Vetro01La prima manifattura documentata del vetro si ha in Egitto, nel II millennio a.C., quando fu impiegato nella produzione di stoviglie, altri utensili e monili. Nel I secolo a.C. fu sviluppata la tecnica del soffiaggio, che ha permesso che oggetti prima rari e costosi divenissero molto più comuni. Durante l’Impero Romano il vetro fu plasmato in molte forme, principalmente vasi e bottiglie.

I primi vetri erano di colore verde a causa della presenza di impurità di ferro nella sabbia utilizzata. Alcuni vetrai veneziani si spostarono in altre aree d’Europa diffondendo così l’industria del vetro. Fino al XII secolo il vetro drogato cioè con impurità coloranti come metalli non fu impiegato. Ma intorno al 1688 un nuovo processo di fusione fu sviluppato, ed il vetro divenne un materiale molto più comune. L’invenzione della pressa per vetro nel 1827 diede inizio alla produzione di massa di questo materiale. Nel 1920 fu sviluppato un nuovo metodo consistente nello stampaggio diretto delle decorazioni sul vetro fuso.

MATERIE PRIME

Vetro04La silice (SiO2, biossido di silicio) è il più comune formatore del reticolo vetroso ed è quindi la più importante materia prima per la produzione del vetro. Circa metà della crosta terrestre è formata da minerali di silice (silicati e quarzo), il maggior costituente di rocce e sabbie. Tuttavia la silice naturale non ha, in generale le caratteristiche necessarie per la produzione del vetro, sia perché forma dei minerali complessi con altri ossidi (come ad esempio nelle argille e nei feldspati con l’allumina, Al2O3), sia perché contiene degli elementi come il ferro che, anche in piccola quantità, danno al vetro una colorazione indesiderata. Solo silice che contiene meno dello 0,1% di ossido di ferro (Fe2O3) può essere usata per la produzione di lastre; ma, per produrre vetro da tavola e artistico, tale percentuale scende al 0,01% e solo pochi giacimenti di quarzo garantiscono questi limiti. Per il vetro usato nell’ottica la quantità accettabile è ancora più bassa, meno dello 0,001%. E’ una quantità piccolissima, equivalente a 10 milligrammi per chilo di sabbia. Ancora minore deve essere il contenuto di altri minerali, come gli ossidi di cromo, cobalto, rame, ecc.. che hanno un potere colorante maggiore di quello del ferro. Nessuna sabbia naturale è in grado di rispondere ai requisiti del vetro per l’ottica; per questo, anche le sabbie dei migliori giacimenti devono essere ulteriormente purificate con speciali trattamenti.

PROPRIETA’

Proprietà del vetro

LAVORAZIONI

Le lavorazioni più comuni cui può essere sottoposto il vetro sono:

  • Foratura

Vetro05ll vetro può essere forato al trapano con apposite punte diamantate, adeguatamente refrigerate con getto continuo d’acqua. La foratura può essere eseguita da trapani per vetro manuali o a controllo numerico. I fori non devono essere troppo vicini al bordo (a seconda anche dello spessore del vetro) per evitare rotture dovute alle tensioni interne del pezzo. Nuovi macchinari permettono di forare con un particolare tipo di sabbia miscelata ad acqua.

  • Taglio

Vetro06Il taglio di piccoli pezzi può essere eseguito a mano con strumenti appositi, ma in generale viene eseguito da un banco di taglio. Il banco di taglio è un macchinario a controllo numerico che presenta un piano fisso, solitamente vellutato e con fori per generare un cuscino d’aria (utile per lo spostamento del vetro), che viene chiamato anche “pantografo”. Sopra di questo vi è un ponte mobile che tramite un tagliavetro fornito di rotella in carburo di tungsteno o diamante sintetico pratica incisioni sul vetro a seconda della programmazione eseguita tramite un software chiamato “ottimizzatore”; il software ottimizzatore è implementato affinché ottimizzi il taglio, evitando al minimo lo sfrido.

vetro07

  • Curvatura

Vetro08Il vetro curvo è un vetro sottoposto ad un procedimento di riscaldamento graduale ad alte temperature (tra i 500 e i 750 °C circa), fino a diventare abbastanza plastico da aderire (per gravità o costretto in una qualche maniera) ad uno stampo concavo o convesso, disposto orizzontalmente o verticalmente all’interno del forno di curvatura. Non è possibile ottenere un vetro curvo che si adagi sullo stampo esclusivamente sotto l’azione della sua forza peso senza che il vetro stesso non venga segnato dalla tesatura dello stampo, compromettendone la trasparenza e l’uniformità di spessore della lastra. Per tale motivo, in genere l’azione di curvatura della lastra viene coadiuvata da dispositivi meccanici o pneumatici, che agevolano il processo. Il vetro viene raffreddato molto lentamente (“detensionamento” o “ricottura” del vetro), per evitare di indurre tensioni che ne precluderebbero un’eventuale successiva lavorazione o che potrebbero innescare fenomeni di rottura spontanea del materiale. Viceversa, molto più frequentemente per il vetro impiegato nel settore dell’arredamento, il processo di curvatura si conclude con un raffreddamento istantaneo, al fine di ottenere un vetro curvo temprato. Per vetro curvo si intende comunemente il vetro sottoposto alla curvatura lungo un solo asse della lastra (si pensi ad esempio alla curvatura che subisce un foglio di carta quando si tendono ad avvicinare due lati opposti).

  • Smerigliatura

Vetro11Esistono tre modi per smerigliare il vetro:

  1. sabbiatura, che viene eseguita con uno strumento molto particolare che “spara” la sabbia ad alta velocità, scalfendo il vetro. Purtroppo è un lavoro da far fare a persone esperte nel settore e, proprio per questo, ha un costo piuttosto alto.
  2. acidatura, una speciale pasta, molto acida, che va spennellata nel vetro e lasciata asciugare almeno 24 ore. Dopo il periodo di asciugatura, la pasta va eliminata con una lama, che completa l’abrasione del vetro.
  3. smerigliatura, usando un piccolo smerigliatore per unghie, si usa come una penna.

Naturalmente, per riuscire a seguire il disegno correttamente, senza sbavature, senza rovinare le parti del vetro che si vogliono tenere intatte, per tutti e tre i sistemi è necessario eseguire alcuni passaggi. Pulire perfettamente il vetro con dell’alcol puro per togliere qualsiasi residuo dalla superficie. Quindi il vetro va ricoperto con la carta adesiva; è importante non lasciare spazi liberi, proprio per evitare che si smeriglino parti del vetro che si vogliono lasciare lucide. La carta deve aderire perfettamente, senza bolle d’aria. Si traccia il disegno con un pennarello indelebile. Aiutandosi con un taglierino ben affilato, s’intagliano le parti che si vogliono smerigliare. Il taglio deve essere netto, preciso, senza sbavature. In caso contrario, il contorno del soggetto risulterà poco chiaro, non ben definito. Viene asportata la carta adesiva in eccesso. Già in questo passaggio ci si rende conto di come sarà il vetro a lavoro ultimato. Se non si è soddisfatti , conviene ricominciare da capo, sin dal primo passaggio. Se invece il soggetto ottenuto ci piace, possiamo procedere o con la pasta per smerigliare o con lo smerigliatore.

  • Molatura

Vetro25Il vetro viene sottoposto a una operazione di molatura quando si deve eliminare il bordo che dopo il taglio diventa tagliente e dalla forma irregolare. La molatura quindi è l’operazione che trasporta e re-uniforma definitivamente il bordo del vetro.

Questo può essere molato in diversi modi: filo lucido e tondo, dove il bordo viene lucidato con cura e arrotondato, il grado di lavorazione è alto; filo lucido e piatto: il bordo viene lucidato e risulta perpendicolare alla superficie, il grado di lavorazione e sempre alto; filo grezzo, dove si ottiene una rugosità maggiore.

  • Tempra

La tempra è il raffreddamento termico che avviene per indurire il vetro. Il vetro viene tagliato in modo adeguato, viene riscaldato su un tavolo a rulli a 640° e subito dopo viene raffreddato da un getto d’aria fredda in modo da raffreddarne solo l’esterno e lasciare l’interno caldo e malleabile.

LA VETRERIA – TRA INDUSTRIA e ARTIGIANATO

Lavorazione industriale

Il vetro è un elemento che non presenta un punto di fusione netto, pertanto si lavora in un range di temperatura in cui esso è allo stato plastico. I limiti di tale intervallo oscillano tra picchi massimi detti “punti di aggregazione”, in cui la temperatura è di 1100 °C circa, e livelli minimi, detti “punti di trasformazione”, in cui la temperatura si aggira intorno a 800 °C.

Vetro12La fabbricazione e la lavorazione del vetro si articolano in quattro fasi:

  • fusione,
  • formatura,
  • ricottura,
  • finitura.

Fusione: è la fase iniziale, durante la quale, la carica, formata da componenti diversi tra loro, viene polverizzata e mescolata a rottami di vetro che agiscono da fondente. Durante la fusione, si verificano l’eliminazione dell’acqua presente nei componenti di partenza, la dissociazione dei carbonati e dei solfati con sviluppo di anidride carbonica o solforosa, la formazione di una massa fusa il più possibile omogenea. Il secondo momento della fusione è detto affinaggio o affinazione: essa rappresenta l’operazione in cui la massa fusa viene privata di tutte le bollicine di gas presenti, che potrebbero dare origine a difetti nei manufatti preparati. L’affinazione viene realizzata aggiungendo alla massa fusa piccole percentuali di agenti affinati. Conclusa questa fase, il vetro fuso è una massa avente in tutti i punti uguale composizione chimica e, conseguentemente, le medesime proprietà fisiche. E’ possibile, a questo punto, operare una decolorazione del vetro, tramite l’ossidazione di sali di ferro. La fusione si conclude con la fase di riposo o di condizionamento, durante la quale la massa fusa viene raffreddata gradualmente fino alla temperatura di foggiatura o di formatura.

Formatura: viene eseguita in diverse modalità quando il vetro è ancora fluido e si trova in un campo di temperatura nel quale assume viscosità tale da poter essere lavorato e da conservare la forma impartita, senza alterazioni.

Ricottura: consiste in un riscaldamento del vetro fino alla temperatura superiore di ricottura e serve ad eliminare le torsioni che si generano durante la formatura e che rendono difficile le operazioni di finitura come, ad esempio, il taglio. E’ una fase essenziale per eliminare le tensioni interne formatesi per irregolarità di riscaldamento o raffreddamento. La scelta della temperatura e della velocità di raffreddamento sono in funzione del tipo di vetro e del suo spessore. Dopo aver raggiunto la temperatura dovuta, l’oggetto viene mantenuto in tale stato per un periodo sufficiente ad assicurare il raggiungimento dell’uniformità termica in ogni suo punto; quindi viene raffreddato lentamente fino a una temperatura inferiore di 50 °C a quella di ricottura, ed infine viene portato rapidamente a temperatura ambiente.

Lavorazione artigianale

Vetro13Il vetro di Murano è uno dei più preziosi vetri che vengono realizzati in Italia. Lo si realizza, secondo tradizioni antiche di secoli, sulla famosa isola di Murano, vicino Venezia. La scelta di questa isola per realizzare i vetri non fu affatto casuale. I primi forni vi furono installati nel 1291, sia perché Murano era fuori dal centro cittadino, quindi eventuali incendi non avrebbero arrecato grandi danni (i forni all’epoca erano realizzati in legno), sia perché si trovava di tramontana rispetto a Venezia, quindi i fumi della produzione non avrebbero raggiunto la città principale. Esistono diverse tecniche con le quali i mastri vetrai, oggi, producono i loro preziosissimi oggetti, a seconda del tipo di vetro devono realizzare: vetro di Murrina, vetro in piastra, vetro a lume, vetro soffiato.

Tra tutte le tecniche, la più lunga e complessa è senza dubbio quella del vetro di Murrina. Si inizia con il tagliare in tanti piccoli pezzi le canne di Murrina, delle canne di vetro colorato. Quindi, questi piccoli pezzi sono adagiati, uno ad uno ed a mano, all’interno di formine di rame, in maniera molto paziente e con fantasia, per creare dei disegni sempre diversi. Durante la notte, questo “puzzle” viene tenuto in forno, in maniera che il vetro si sia solidificato in un pezzo unico e che questo possa quindi essere lavorato e levigato per poterlo adattare ai vari orologi, tappi, cornici, lampade, lampadari e quant’altro.

La lavorazione del vetro in piastra è la tecnica più recente. Su una lastra di vetro vengono sparsi diversi oggetti, come foglie di oro e argento e pezzi di Murrina, che vengono composti, con fantasia, per realizzare un grande disegno, sempre diverso ogni volta. Sul disegno così ottenuto, quindi, viene posta un’altra lastra di vetro, come fosse un panino. L’oggetto viene quindi tenuto in forno per una notte, in maniera da divenire un pezzo unico, e viene quindi tagliato per i vari oggetti a cui farà da ornamento.

La lavorazione del vetro a lume è la più antica fra tutte. Il mastro vetraio, con una fiamma a gas che raggiunge temperature molto alte, fonde e mescola insieme diversi tipi di vetro e foglie di oro e argento, per creare delle forme e dei colori sempre differenti. I vetri ottenuti da questa tecnica vengono usati per abbellire lampade, lampadari, collane, pendenti e bijoux.

La lavorazione del vetro soffiato è una tecnica di alto livello, con la quale il vetro viene modellato a caldo e, tramite delle filigrane, creano il famoso e tanto apprezzato effetto merletto all’interno del vetro stesso.

FLOAT GLASS

Vetro14Per quanto concerne la produzione di vetro piano, a partire dalla fine degli anni Cinquanta è stato introdotto il processo float (Pilkington) in sostituzione dei precedenti metodi di tiratura. Il prodotto che si ottiene (float glass) ha sostituito il cristallo ottenuto da molatura di vetro greggio tirato. Nel processo denominato float glass, la pasta vitrea, proveniente dal crogiolo alla temperatura di 1100 °C, assume forma perfettamente piana in un forno a tunnel la cui base è formata da un letto di 7cm di stagno fuso. Questo è posto in atmosfera contenente azoto e idrogeno, in modo da non essere ossidato. Lo stagno leviga la superficie inferiore del vetro per diretto contatto, mentre la parte superiore si appiattisce per gravità essendo ancora allo stato semifuso.

I TIPI DI VETRO

Esistono diverse composizioni di vetro. Quelle che elencheremo ora sono le più usate.

Il vetro solubile

Vetro16E’ un prodotto trasparente che trova larga applicazione in molte industrie. La maggior quantità viene utilizzata come detersivo per lavastoviglie ma trova impiego anche nella produzione di pietre d’arte artificiali; serve per indurimento di cementi, marmi e come mezzo sbiancante nelle lavanderie di lana, nella fabbricazione di adesivi, smalti, fiammiferi ecc.


Il vetro comune

Vetro17Appartiene alla più vasta produzione vetraria. Commercialmente viene distinto in base al colore: bianco (perfettamente decolorato), mezzo bianco, colorato. In funzione all’ impiego che se ne deve fare, viene scelto l’ossido più adatto (calcio, bario, zinco …).


I vetri borosilicati

Sono di elevata resistenza chimica (per questo detti neutri) e di composizione molto varia: contengono, in genere quantità relativamente elevate di allumina e anidride borica. Questi tipi di vetro vengono usati per la fabbricazione di contenitori per medicinali (flaconi e fiale), per apparecchiature da laboratorio chimico, ecc. Per le loro proprietà sono resistenti al calore e trovano numerosi impieghi per manufatti da forno (vetro Pyrex) o per particolari applicazioni.


Il vetro quarzo

Vetro18È’ vetro costituito da pura silice. Possiede importanti caratteristiche chimico-fisiche, ma ha elevate temperatura di fusione e alta viscosità. La sua lavorazione quindi è molto costosa.


Il vetro piano

Vetro19Questi tipi di vetro sono largamente diffusi in edilizia e vengono classificati in base allo spessore della lastra, che può variare da 1,6 mm a 10-14 o anche 17 mm. I vetri artistici La produzione di vetri artistici lavorati a mano necessita di un tempo di lavorazione più lungo. Per questo alla silice si aggiunge una percentuale di sostanze che facilitano le lavorazioni, ma rendono il vetro più fragile.


Il vetro artistico

Vetro20La produzione di vetri artistici lavorati a mano necessita di un tempo di lavorazione più lungo. Per questo alla silice si aggiunge una percentuale di sostanze che facilitano le lavorazioni, ma rendono il vetro più fragile. Il vetro artistico deve essere anche in grado di accogliere elementi coloranti e discrete dosi di piombo, che ne aumenta la lucentezza e la rifrazione.


Il vetro per ottica

Vetro21Questo tipo di vetro è destinato alle lenti di occhiali, microscopi e cannocchiali, agli obbiettivi delle macchine fotografiche e delle telecamere: deve essere quindi particolarmente raffinato. Un particolare tipo di vetro, chiamato foto cromico (fotocromatico ), assorbe la luce diventando più scuro, fino al cessare della radiazione luminosa.


I vetri di sicurezza

Vetro22La fragilità del vetro e la formazione di piccoli e taglienti schegge costituiscono un serio ostacolo all’ impiego delle lastre nelle costruzioni edili. Sono stati quindi studiati vari sistemi per aumentare il grado di sicurezza del vetro. Si fabbricano infatti vetri temperati, oppure vetri retinati (per la presenza di una rete metallica all’interno della lastra) Il vetro retinato è molto utile per gli incendi.


Il vetro per fibre

Vetro23Le fibre di vetro possono avere un diametro da 1 a 8 micron; notevole è anche l’elasticità alla trazione. Per soffiatura con aria e vapore si ottengono fibre corte e continue, adatte per pannelli isolanti. I vetri per fibre sono: i vetri tessili (paraurti di automobili, scafi di barche,attrezzi sportivi ecc.) lana di vetro o lana di roccia (isolamento di edifici, pareti di frigoriferi, forni, stufe ecc.) e fibre ottiche (telecomunicazioni).


Il vetro camera

Vetro24E’ composto da due o più lastre; all’interno della vetrata è presente aria disidratata oppure gas isolante. Il vetrocamera garantisce un alto isolamento termico e acustico.


IL RICICLAGGIO

Vetro15Il vetro è l’unico materiale a possedere una dote preziosa: la riciclabilità totale. Il riciclaggio del vetro consente di risparmiare le materie prime (minerali, sabbia) necessarie per la sua produzione. Il vetro è il materiale “ecologico” per eccellenza. Non è inquinante ed è riutilizzabile per un numero illimitato di volte. Se abbandonata, una bottiglia di questo materiale si decompone solo dopo 4.000 anni. Per questo, è fondamentale separare accuratamente il vetro. Ovviamente, il cosiddetto “rottame di vetro” non può essere riciclato così com’è, deve essere sottoposto a numerose verifiche per eliminare le numerose “impurità” che contiene.

Video1

Gruppi

Gruppo Segretario Alunni
FAVIGNANA Giuffrida T. Provvidenza D.-Vitaliano E.-Longo S.
SICILIA Fonti G. Spina A.-Giordano E.-Bergamo D.-Maiorana C.-Micena N.
SALINA Cantarella B. Bollo C.-S. Favara-P. Ferraro-M. Guardabasso-E. Paradiso
SARDEGNA Strazzeri F. Gueli M.-Di Bella F.-Meli S.-Mollica F.

Links

  • www.glassway.org
  • www.iceuropa.it/uno/ESAME2009/esame3A/Capelli_Scalini/PAGINE/vetro_storia.htm
  • www.vitrum.it/vetrofloat.htm

Articoli1

GORILLA GLASS NBT. Un GORILLA sui NOTEBOOK

 Materiali  Commenti disabilitati su GORILLA GLASS NBT. Un GORILLA sui NOTEBOOK
Ago 072013
 

Gorilla NBT01

Corning presenta Gorilla Glass NBT il primo vetro speciale progettato per i notebook con tecnologia touch. Ricordiamo che i vetri speciali Gorilla glass sono stati integrati per la prima volta in iPhone e successivamente in un numero sempre crescente di smartphone e tablet. Secondo il costruttore il nuovo Gorilla Glass NBT aumenta da 8 fino a 10 volte la resistenza ai graffi per i computer portatili touch.
Tra le caratteristiche principali una minore probabilità di graffiarsi, il mantenimento nel tempo della qualità di visualizzazione e infine una maggiore resistenza dei pannelli nel tempo, anche dopo esser stato graffiato. Grazie a Gorilla Glass NBT aumenta anche la pressione massima supportata prima che il vetro si spacchi, permettendo allo schermo del notebook di resistere a piccoli urti e colpi che si possono verificare durante l’uso o il trasporto.

Gorilla NBT02

Dell è tra i primissimi costruttori ad adottare Gorilla Glass NBT: il costruttore di computer texano ha dichiarato che lancerà una nuova gamma di computer portatili con schermi touch con Gorilla Glass NBT per il settore consumer entro questo autunno. Corning ha dichiarato che Gorilla Glass NBT è già disponibile e che sarà implementato in diversi notebook touch in arrivo dai principali marchi nel corso dei prossimi mesi.

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AVRO’ UN VETRO COME UNO ZAFFIRO

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Mar 262013
 

iPhone5 immagine 6Nella guerra degli smartphone, ogni giorno un nuovo elemento o un nuovo componente rivoluzionario viene annunciato. Questo segmento dell’informatica di consumo è diventato il terreno della sperimentazione dove tutti si confrontano per raggiungere il primato tecnologico. E dopo l’annuncio del Galaxy S4 da parte di Samsung è Apple questa volta a muoversi su più fronti per contrastare la concorrenza del nemico coreano. Dopo l’iWatch, sempre più insistenti voci sui nuovi iPhone di prossima generazione. Questa volta il rumour è sulla scelta del vetro da utilizare per i display del melafonino. Secondo Eric Virey, un analista di Yole Développement pare che Apple potrebbe utilizzare per il nuovo iPhone il vetro denominato zaffiro. Si tratta di un materiale dalle caratteristiche incredibili, inscalfibile (tranne che dal diamante e pochi altri materiali) ed è molto più duro del Gorilla Glass dell’attuale iPhone.

Questo materiale è già largamente in uso in apparecchiature di fascia alta come gli orologi da collezione o come già fa la stessa Apple per coprire l’obiettivo della propria videocamera sull’iPhone. Il problema per un uso su larga scala è il costo di produzione. Mentre ha poca importanza per gli orologi preziosi che, essendo di per se molto costosi, non scoraggiano i produttori a utilizzarli nei loro prodotti, ma il problema del prezzo si pone per i prodotti di fascia consumer come i cellulari. Infatti, il vetro Zaffiro, costa circa 10 volte di più del gorilla glass, ma visti i numeri che macina Apple, questa potrebbe ottenere importanti sconti e far si che il prezzo del prodotto si abbassi molto rapidamente.

Questo semplice annuncio ha scatenato una quantità enorme di rumours sulla rete. Pare infatti che ricercatori americani, ma anche coreani e russi, siano al lavoro per produrre nuove generazioni di vetro zaffiro ultra sottile e con processi di produzione decisamente meno costosi (circa 3 volte soltanto un vetro gorilla glass). La GT Advanced Technologies, un’azienda di Nashua in New Hampshire negli Stati Uniti, sarebbe già in uno stato avanzato nella produzione proprio di questi pannelli di vetro da poter utilizzare come schermo touch per gli smartphone di prossima generazione.

Non si sa se sarà Apple ad annunciare il primo prodotto con questa nuova tecnologia, perché anche Google pare sia interessata anch’essa a questo prodotto per il suo futuro telefonino chiamato (per ora) Google X Phone che dovrebbe vedere la luce alla fine di quest’anno.

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Google X Phone

Noi di educazionetecnica.com come sempre vigileremo e racconteremo di ogni novità in tal senso. Restate in linea.

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