12th Conference on the Structure of Non-Crystalline materials (NCM12)

di Giuseppe Dalba.

La dodicesima edizione della Conference on the Structure of Non-Crystalline materials (NCM12) è stata organizzata dal Laboratorio X-ray Synchroton Radiation del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento presso il Centro Congressi di Riva del Garda dal 7 al 12 luglio 2013. L’edizione precedente fu tenuta a Parigi nel 2010.

I partecipanti
La conferenza ha attirato 200 scienziati provenienti da 31 nazioni. La rettrice dell’Università di Trento, Daria de Pretis, ha aperto i lavori con un discorso di benvenuto ai partecipanti. Sono state presentate circa 80 relazioni orali, di cui 14 su invito, e 130 presentazioni su poster.
Il tema in discussione ha riguardato la struttura dei materiali non-cristallini, materiali che compongono buona parte degli oggetti e dei dispositivi che utilizziamo tutti i giorni. Il vetro e i materiali amorfi come la plastica ne sono gli esempi più comuni.
La conferenza ha registrato un intenso e appassionato confronto fra i ricercatori di tre diverse comunità scientifiche: quelle dei chimici, dei fisici e degli ingegneri dei materiali. I primi hanno mostrato i risultati ottenuti nella preparazione chimica di nuovi materiali non-cristallini e nello studio delle loro proprietà macroscopiche; i secondi hanno illustrato la struttura atomica di detti materiali in relazione alle proprietà fisico chimiche ed hanno presentato i progressi delle tecniche di indagine strutturale sperimentale e teorica nell’interpretazione di dette proprietà; gli ultimi hanno mostrato gli sviluppi applicativi e i moderni dispositivi utilizzanti nuovi materiali non-cristallini.

Materiali Non-Cristallini: proprietà
La natura favorisce lo stato solido cristallino, perchè serve meno energia per realizzare una composizione ordinata di atomi come quella presente per esempio nei cristalli, nelle rocce e nei metalli. In natura i materiali cristallini si trovano in forma di singoli cristalli o aggregati di cristalli: per i primi, i cosiddetti monocristalli, si pensi per esempio ai diamanti o ai più umili ma non meno importanti cristalli di sale da cucina; per i secondi, i policristalli, ai metalli o ai minerali. Sin dalla notte dei tempi si è scoperto però che è possibile produrre solidi non cristallini di varia forma e dimensione. Tra i più noti il vetro, il quale continua, ancor oggi, imperturbabile nella sua trasparenza, robustezza, e adattabilità a scandire il ritmo del progresso tecnologico dell’umanità. Oltre ai materiali vetrosi, fanno parte dell’ampia famiglia dei sistemi non-cristallini i materiali amorfi, composti inorganici, organici, polimerici metallici ed ibridi. Si aggiungono a questa ricca e variegata famiglia i materiali parzialmente vetrosi come le vetroceramiche ed i compositi a matrice vetrosa.

La specificità dei materiali non-cristallini consiste nell’assenza della disposizione ordinata di atomi tipica dei cristalli caratterizzata da una ripetizione periodica di gruppi di atomi  o di molecole in posizioni geometriche costituenti un reticolo tridimensionale. I solidi non-cristallini non esibiscono né una struttura reticolare regolare né una struttura granulare. Costituiscono una rete disordinata di atomi ed al più presentano un ordine a breve raggio: ogni atomo vede attorno a sé in posizioni alquanto regolari solo i vicini più prossimi ma molto meno i secondi, i terzi vicini e così via. Manca cioè quello che è chiamato l’ordine a lungo raggio. Per esempio nella silice vetrosa, il principale costituente di moltissimi vetri, ciascun atomo di silicio occupa il centro di un tetraedro quasi regolare ai cui vertici si trovano 4 atomi di ossigeno, primi vicini, ma lo stesso atomo di silicio non vede disposti in maniera così ordinata i suoi secondi vicini, che sono ancora atomi di silicio, e né, tanto meno, dei terzi vicini e così via.

Una caratteristica tipica delle sostanze amorfe è che non posseggono punti di fusione ben definiti. All’aumentare della temperatura diventano sempre più soffici: la loro viscosità decresce sino a divenire come dei liquidi viscosi. Infatti la loro struttura atomica assomiglia a quella dei liquidi e si distinguono da questi solo per la più elevata viscosità.

Applicazioni e sviluppi di nuovi materiali
La composizione atomica dei materiali non-cristallini può essere variata quasi a piacimento. Questo comporta dei vantaggi tecnologici notevoli perché consente di progettare a livello atomico il materiale in funzione delle proprietà fisico-chimiche ad esso richieste. Determinate sostanze aggiunte al vetro possono abbassarne la temperatura di fusione e migliorandone la fluidità durante la preparazione, migliorare le proprietà chimiche e meccaniche, agevolare l'eliminazione di difetti, modificare l'aspetto cromatico e influire sulla trasparenza. Grazie ad un accurato controllo della composizione e della crescita della struttura atomica del vetro è ora possibile realizzare vetri pieghevoli. Si può quindi parlare di vera e propria ingegneria atomica.

Il drogaggio dei materiali non-cristallini con piccole quantità di atomi di varia natura ha permesso il diffondersi di nuove applicazioni. Basse concentrazioni di atomi di lantanio in matrici vetrose ne aumentano l’indice di rifrazione consentendo così la realizzazione di lenti oftalmiche supersottili. L’aggiunta di titanio o lantanio alla plastica trasparente consente di ottenere lenti superleggere e sino al 40% più sottili delle normali lenti. Inoltre il materiale plastico ad alto indice, unitamente ad un design ottimizzato, garantisce un aspetto naturale e un grande comfort indipendentemente dal potere correttivo della lente.

Tra le altre applicazioni più recenti dei materiali non-cristallini richiamiamo le fibre ottiche che altro non sono che fili di silice vetrosa o di polimeri, sottilissimi come capelli, che vanno soppiantando i conduttori metallici grazie ad una più conveniente trasmissione dei segnali luminosi rispetto a quelli elettrici. Le fibre ottiche sono caratterizzate da un basso costo di produzione e di esercizio: sono leggere, flessibili, poco sensibili alle condizioni atmosferiche più estreme ed alle variazioni di temperatura ed immuni ai disturbi elettrici. Drogando le fibre con atomi di terre rare, per esempio erbio, è possibile recuperare le inevitabili perdite del segnale luminoso lungo il loro percorso. Le fibre ottiche consentono la trasmissione di grandi quantità di informazioni: attraverso di esse viaggiano alla velocità della luce le conversazioni telefoniche, le informazioni internet e le immagini televisive.
Le fibre ottiche sono utilizzate in medicina potendo accedere a zone difficilmente raggiungibili del corpo e permettendo di indagare e operare localmente.
L’utilizzo delle fibre ottiche nella sensoristica remota si va sempre più diffondendo. I cavi a fibra ottica vengono utilizzati nell’industria aeronautica o  petrolifera essendo in grado di rilevare variazioni di pressione e di temperatura lungo tutta la loro lunghezza e per la capacità di trasportare onde sonore.

Sono recenti gli studi e le applicazioni sui biovetri. Questi sono vetri con caratteristiche bioattive utilizzati in applicazioni mediche essendo in grado di promuovere la crescita di tessuti ossei sulla loro superficie. Lo stato dell’arte nella preparazione e caratterizzazione di questi materiali è stato illustrato nella relazione su invito tenuta dalla professoressa Gigliola Lusvardi dell’Università di Modena e Reggio Emilia.

Fanno parte dei materiali polimerici le nanospugne di ciclodestrine. Questi polimeri sono dei materiali soffici nanoporosi che possono trovare uso in metodologie terapeutiche avanzate, nell’ingegneria dei tessuti biologici e nella medicina rigenerativa. Uno studio di base di natura spettroscopica su questi sistemi è stato presentato dal Laboratorio di Stato Solido del Dipartimento di Fisica di Trento.
Un grande esperto internazionale nella produzione di nuovi materiali polimerici è il prof. Leibler che ha presentato una nuova classe di polimeri detti vitrimeri. Questi nuovi materiali plastici hanno caratteristiche chimico-fisiche analoghe a quelle dei vetri, da cui traggono il nome. Sono solidi a bassa temperatura, malleabili se riscaldati, insolubili a qualsiasi temperatura. Essi costituiscono una terza classe di nuovi polimeri assieme alle termoplastiche (polietilene, polistirene, ecc.) ed agli elastomeri (caucciù, ...). I vitrimeri possono essere formati, assemblati, riparati e riciclati come i vetri. Oltre ad aprire interessanti prospettive per la fisica e la chimica, essi troveranno presto applicazioni da parte delle industrie automobilistiche, aeronautiche, elettroniche e dei rivestimenti.

I semiconduttori amorfi sono largamente usati nell’elettronica e nell’optoelettronica:  laser, DVD, memorie dei computer, utilizzano materiali non cristallini di varia natura e composizione.
Una lezione unanimemente apprezzata per novità e completezza è stata quella tenuta al professor Stefan Elliott dell’Università di Cambridge che nella closing lecture ha presentato uno recente studio di simulazione di Dinamica Molecolare su un materiale calcogenuro: una lega di Germanio, Antimonio e Tellurio. È questo un materiale a transizione di fase già usato nei dischi riscrivibili: CD-RW e DVD-RW. Esso è candidato ad essere utilizzato nelle realizzazione di nuove memorie RAM (random access memory), quelle a cambiamento di fase: PCRAM (phase change random access memory). Esse sono costituite da un sottile stato vetroso la cui struttura puo’ essere alterata facendola transire da cristallina ad amorfa a seguito di somministrazione locale di calore. Questi due stati sono caratterizzati da una diversa resistività elettrica: alla fase cristallina, caratterizzata da bassa resistività, viene assegnato il dato binario 0, mentre alla fase amorfa, che presenta elevata resistività, viene assegnato il dato binario 1. Poiché il tempo di ricristallizzazione è inferiore a 0.5 nanosecondi è possibile raggiungere elevate velocità di scrittura tali da soppiantare le memorie RAM nell’architettura dei computer.

Perché studiare la struttura atomica
Le proprietà fisico-chimiche di un materiale e quindi le sue proprietà funzionali, sono strettamente legate alla struttura atomica del materiale.
Se è relativamente semplice descrivere la struttura di un cristallo, grazie alla disposizione ordinata dei suoi atomi, è notevolmente più complesso invece descrivere la struttura di un materiale non-cristallino. Per un cristallo è sufficiente una sola tecnica sperimentale, per un materiale amorfo invece il ricorso a più tecniche sperimentali, di cui ciascuna, in base alla propria sensibilità, fornisce informazioni strutturali solo parziali, non basta.

Tra le tecniche sperimentali più diffuse ricordiamo: i) l’assorbimento dei raggi X che è una tecnica selettiva che dà informazioni locali sugli atomi primi vicini di ciascuna specie atomica presente nel materiale, ii) lo scattering di neutroni e di raggi X che danno informazioni sull’ordine a corto e medio raggio, cioè su dimensioni inferiori o dell’ordine del nanometro, iii) lo scattering a piccolo angolo dei raggi X che misura disomogeneità di dimensioni dell’ordine di decine nanometri presenti nei materiali non cristallini iv) la risonanza magnetica nucleare, capace di identificare unità strutturali all’interno di una matrice atomica disordinata e di quantificare la presenza di determinati legami interatomici; v) la spettroscopia Raman … I progressi di queste tecniche sono stati illustrati da eminenti esperti in ciascuna tecnica invitati su indicazione dell’International Advisory Committee della Conferenza,. Una ricca e puntuale rassegna sugli studi strutturali nei vetri prodotti per solidificazione da fase liquida è stata presentata dal professor Adrian C. Wright. Essa ha messo in risalto l’esistenza di un ordine di tipo cristallino all’interno della matrice disordinata, presente soprattutto nei vetri con più di un ossido componente.
L’insufficienza delle informazioni strutturali dovuta alla loro frammentarietà impone la necessità di correlare e completare gli studi strutturali dei materiali non-cristallini ricorrendo a complesse tecniche di simulazione al computer. Queste, partendo da una generica distribuzione delle coordinate geometriche di migliaia di atomi, cambiano la posizione di ogni singolo atomo sino a generare una struttura compatibile con i risultati ottenuti dalle diverse tecniche sperimentali. Una di queste tecniche di simulazione è la Reverse Monte Carlo, il cui stato dell’arte è stato presentato su invito da uno degli ideatori, il professore ungherese Laslo Pusztai. Un’altra tecnica di simulazione è la Molecular Dynamics di cui ne ha dato un saggio il prof. Alastair Cormack professore di Ceramic Engineering della Alfred University (USA) presentando un lavoro sulla struttura dell’acqua nella silice e nei vetri sodiosilicati.

Ringraziamenti
La conferenza ha registrato un successo manifestato unanimemente da gran parte dei partecipanti. La ragione fondamentale di esso è sicuramente da attribuire all’elevata qualità degli invited talks e di numerose presentazioni orali e poster. Al successo però hanno contribuito altri fattori non secondari: la bellezza del naturalistica del sito in riva del lago di Garda e la perfetta organizzazione logistica i cui meriti vanno ascritti al personale dell’Ufficio Convegni dell’Università di Trento ed al personale del Centro Congressi di Riva del Garda che ha dimostrato la sua maestria nell’arte dell’accoglienza.
Il comitato organizzatore della conferenza, nelle persone di Paolo Fornasini, Rolly Grisenti, Roberto Graziola, Cristina Armellini e Francesco Rocca, merita un particolare ringraziamento per la riuscita dell’evento. All’Università di Trento, al Dipartimento di Fisica, alla fondazione FBK ed alle compagnie straniere Corning e AGC un sentito grazie per i servizi ed i fondi elargiti.

Autore
Giuseppe Dalba, chairman della conferenza NCM12, è professore ordinario presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento.

http://events.unitn.it/en/ncm12