Memory metals

Big idea “La struttura del materiale alla nanoscala ne determina le caratteristiche e le funzioni. Progettando e modificando la struttura e la composizione dei materiali, è possibile dotarli di proprietà che possano essere cambiate in modo controllato, tramite stimoli esterni e per scopi specifici.”

Nel campo delle nanoscienze, occupano un posto speciale i materiali intelligenti (smart materials). Si tratta di materiali la cui struttura o composizione  è  stata progettata in modo da  dotarli di proprietà che possano essere cambiate in modo controllato tramite  stimoli esterni  e per scopi specifici. Per essere uno smart material, il cambiamento deve essere reversibile, in modo che la funzione possa essere ripetuta.

Smart materials

Una classe di materiali intelligenti molto importante è  quella delle metalli a memoria di forma. In questi materiali  un piccolo cambiamento di temperatura o uno sforzo meccanico possono produrre importanti cambiamenti a livello macroscopico: forma, lucentezza, colore, elasticità, resistenza elettrica, etc. Ma sopratutto, se il materiale viene deformato, una volta scaldato riassume una forma precisa, che può essere predeterminata, qualunque sia stata la deformazione. Un metallo a memoria di forma integra perciò un sensore di temperatura e un attuatore, cioè una azione meccanica, con moltissime applicazioni in robotica, medicina, ecc. Il fenomeno è dovuto ad una modifica del reticolo cristallino, una transizione di fase solido-solido detta transizione martensitica.

Memory metals

Prendendo spunto dallo spettacolare fenomeno della memoria di forma, vengono qui offerte sia semplici esperimenti dimostrativi, sia studi quantitativi del comportamento di vari tipi di campioni al variare della temperatura e dello stress meccanico applicato.

I laboratori

Caratteristiche

1 – La memoria di forma

Con questo esperimento viene dimostrato e studiato uno degli effetti più spettacolari del Nitonolo, la memoria di forma. Un filo di Nitinolo arbitrariamente deformato recupera la forma originaria se riscaldato oltre ad una certa temperatura. Con questo esperimento è possibile stimare la temperatura di attivazione della memoria e rieducare la memoria del filo.

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Caratteristiche

2 – Transizioni di fase: resistenza, allungamento

Il nitinolo presenta una transizione di fase solido-solido. I mutamenti nel reticolo cristallino producono un cambiamento delle proprietà macroscopiche tra cui la resistività. Viceversa il monitoraggio di tali grandezze permette di sondare la micro e nano struttura del materiale.

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Caratteristiche

3 – Transizioni di fase: proprietà acustiche, malleabilità

Il passaggio di fase Austenite-Martensite cambia anche le proprietà acustiche e la malleabilità del Nitinolo. In questo esperiemento la transizione di fase viene sondata qualitativamente e quantitativamente attraverso la acquisizione del suono prodotto da barre di Nitinolo, e la sua elaborazione tramite software.

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Caratteristiche

4 – Muscle wire come attuatore

Tra le applicazioni del Nitinolo c’è l’ utilizzo nella doppia funzione di sensori ed attuatori di cui è possibile calcolare l’efficienza. Con speciali accorgimenti si possono poi amplificare le microdilatazioni producendo spostamenti significativi.
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NANOLAB è …

laboratori didattici divisi in quattro aree, corredati da videoguide, schede e approfondimenti, per introdurre le nanoscienze nel laboratorio scolastico.
corsi di formazione e kit formativo per permettere agli insegnanti di riprodurre gli esperimenti in aula.
seminari divulgativi tenuti da ricercatori per esporre le attuali prospettive nel campo delle nanoscienze e contestualizzare i laboratori didattici.

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Guido Goldoni insegna Fisica della Materia all’Università di Modena e Reggio Emilia.

In lingua italiana. Ingresso libero
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Alla scoperta delle nanotecnologie – la fisica alla nanoscala

maggio 10, 2016, 8:00pm

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