Lo spirito dei materiali

Scott: Mettiamola diversamente… Quanto deve essere spesso un pezzo del vostro “plexiglas” grande diciotto metri per tre per sostenere la pressione di cinquecento metri cubici d’acqua?

Nichols: È semplice, quindici centimetri. Abbiamo in lavorazione pezzi così.

Scott: Sì, ho notato… Adesso supponga, solo supponga, che io le possa mostrare il modo per fabbricare una parete che possa servire allo stesso scopo… Ma spesso solamente due centimetri e mezzo. Sarebbe una cosa molto interessante per lei, eh?

Nichols: Sta scherzando!

McCoy: Potrebbe il professore usare il suo computer?

Nichols: Prego. [Scott si siede davanti al computer]

Scott: Computer? Computer? Ah! [prende il mouse e lo usa come microfono] Salve, computer!

Nichols: Forse usando la tastiera…

Scott: La testiera… Pittoresco. [digita a velocità miracolosa la formula]

Nichols: Alluminio trasparente, vedo bene?!?

Scott: L’hai detto, amico…

Nichols: Aspetti, ci vorranno anni solamente per calcolare la dinamica di questa matrice!

McCoy: Sì, ma lei diventerebbe ricco al di sopra di qualunque brama di ricchezza!

Scott: Allora, pensa che questa cosa le interessi… O premo il tasto e cancello tutto quanto?

Nichols: No!!! No. [una signora fa per entrare nell’ufficio] Non ora Madeline!! [lei esce] Ma con esattezza, che cosa avete in mente?

McCoy: Be’, ci lasci parlare un attimo da soli… [prende in disparte Scott] Naturalmente ti rendi conto che se gli riveliamo la formula noi alteriamo il futuro?

Scott: No, perché? Chi ci dice che non è stato lui, l’inventore?

McCoy: Mhhh. Già…

(Star Trek IV – Rotta verso la Terra – 1986)

Uno dei film più divertenti della saga di Star Trek è quello che ho menzionato, ma oltre ad essere una miniera di citazioni, poiché l’equipaggio di Kirk e soci si ritrova negli anni ‘80 grazie ad un viaggio nel tempo, con tutto quel che ne consegue, ci fa capire come la fantascienza a volte sia aruspice della tecnologia del futuro. Per chi non lo sapesse, l’aruspice era, nell’antica Roma, il sacerdote designato all’esame delle viscere delle vittime nei sacrifici, dalle quali traeva indizi e vaticini sul futuro.

Dai satelliti geostazionari ai robot, dalla bomba atomica ai radar passando per il primo viaggio sulla Luna, la fantascienza ha spesso anticipato di molti decenni le conquiste della scienza del mondo “reale” e Star Trek, con 718 episodi televisivi, 13 film e 22 cartoni animati, è stata tra quelle che ne ha azzeccate di più.

Quando Gene Roddenberry, l’inventore della saga, iniziò a scrivere la sceneggiatura, aveva fondamentalmente due idee: creare un futuro di pace e con una visione ottimista, corredato da tecnologia che fosse quanto meno plausibile.

Certo, inventò il teletrasporto, ma quello lo fece per questioni di budget. Molto più veloce ed economico smaterializzare una persona che far atterrare una nave!

Ma le altre invenzioni, come ad esempio le “porte automatiche” scorrevoli (oggi presenti ovunque, nei supermercati, negli alberghi, negli aeroporti, ma anche nelle farmacie e presto, mi auguro, nelle case), o il “comunicatore”, dispositivo per comunicare a distanza precursore dello smartphone (era il 1966!!!), o ancora il “traduttore universale” di Uhura, prezioso per parlare con Sulibani, Tholiani, Klingon e Andoriani, ormai realtà anche portatile, non fecero altro che precorrere i tempi.

Già confrontando un qualsiasi tablet odierno con un computer di soltanto dieci anni fa, le differenze sono davvero stupefacenti. La tecnologia si è evoluta ad un ritmo impressionante, rendendo i dispositivi a nostra disposizione più piccoli, più potenti e molto più portabili. Tutto ciò anche grazie alla rapida evoluzione dell’hardware e all’impiego di nuovi materiali.

La citazione iniziale introduce l’argomento di cui vorrei parlare questa volta, un’altra predizione azzeccata di Star Trek, e cioè l’alluminio trasparente, ma visto che ci sono parlerò anche di altri materiali del futuro.

Lo avevo capito nell’89, quando, dovendo scegliere il ramo dell’ingegneria meccanica in cui specializzarmi scelsi appunto “materiali”, salvo poi fare tutt’altro nella vita (e il professore di metallurgia, bocciandomi tre volte, ha contribuito non poco).

Una volta scoperti i materiali, l’uomo ha imparato a combinarli tra loro e quando la chimica e la fisica hanno raggiunto un certo progresso, ha imparato anche a fabbricarne di nuovi. Ovviamente nell’antichità poteva accadere che un popolo scoprisse un metodo per rendere migliori i metalli e ne mantenesse il segreto per anni al fine di mantenere l’egemonia militare sui popoli vicini, ma di questi tempi le ricerche vengono condivise nella comunità scientifica.

Quasi sempre, almeno. Vediamo dunque, qualche materiale tra quelli che in futuro cambieranno la vita dell’umanità e le tecnologie che ne deriveranno.

Partiamo dall’aerogel.

È la sostanza solida meno densa che si conosca e venne creata nel 1931 come risultato di una scommessa tra Steven Kistler e Charles Learned, due scienziati americani: avrebbe vinto chi dei due avesse scambiato per primo il liquido di una “gelatina” con del gas senza causarne il collasso. Qualcuno lo chiama fumo ghiacciato o anche fumo blu ed è una miscela costituita da una sostanza allo stato solido e da un gas. Una specie di gel dove il componente liquido è sostituito con gas. Al 99,8% è aria, cosa che lo rende un fantastico isolante. Per esempio, un scudo di aerogel potrebbe facilmente difendere da un lanciafiamme, così come potrebbe esser una calotta calda sulla Luna o potrebbe diventare un componente delle armature militari del futuro.

I nanotubi di carbonio sono catene di carbonio tenuti insieme dal legame chimico più forte che esista: il legame sp². Hanno notevoli proprietà fisiche, compreso il trasporto balistico degli elettroni, cosa che li rende ideali nell’elettronica. Hanno una resistenza alla trazione circa 300 volte superiore a quella degli acciai ad alto tenore di carbonio. Per questa ragione si immagina potrebbero essere utilizzati per costruire ascensori spaziali.

Conosciuti anche come diamanti aggregati nanorod, gli iperdiamanti consistono in nanotubi aggregati di diamanti. Sono un materiale superduro, il più duro e meno comprimibile che si conosca (motivo per cui sono conosciuti anche come fullerite ultradura). Quando la nostra tecnologia arriverà all’impiego degli iperdiamanti potremo dire di vivere davvero in un futuro da fantascienza. Ci sono anche i diamanti sintetici, conosciuti anche come HPHT o CVD, che sono diamanti ottenuti attraverso un processo tecnologico. Ciò rende possibile disporre di un materiale da costruzione immensamente forte, costituito da carbonio, con un’alta conducibilità termica e con un punto di fusione ed ebollizione tra i più alti di tutti i materiali esistenti. Qualcuno immagina quanto migliorerebbe la potenza degli aerei da combattimento se fossero rivestiti con uno strato protettivo a base di diamanti sintetici.

I metamateriali sono materiali creati artificialmente con proprietà elettromagnetiche specifiche, le cui caratteristiche non dipendono solo dalla loro composizione chimica ma anche dalla loro struttura. Sono stati utilizzati per la creazione di mantelli invisibili alle microonde e per altri dispositivi dalle proprietà ottiche insolite. Sono ritenuti ideali per la creazione di ologrammi su schermi bidimensionali.

Le schiume metalliche sono composte da un materiale forte e leggero che si ottiene aggiungendo idruro di titanio in polvere all’alluminio fuso e lasciando raffreddare il tutto. Avendo un ottimo rapporto resistenza-peso, sarebbero il materiale ideale per costruire colonie spaziali o città galleggianti.

Il carbonio, portato a circa 1.000 °C, cambia struttura: si trasforma in un materiale ultra-forte, ultra-leggero, elastico come la gomma ed elettricamente conduttivo. Questa nuova struttura del carbonio offre non solo straordinarie proprietà, del tutto inattese, ma apre la strada a un nuovo campo di ricerca che potrebbe portare alla scoperta di classi di materiali mai osservati finora.

Il carbonio è già noto per essere un elemento dai “mille volti”: quando gli atomi si aggregano a determinate temperature e pressioni danno origine alla grafite; a temperature e pressioni superiori diventano diamante, il materiale naturale più duro; in alcune condizioni, quando viene “esfoliato” diventa grafene, un materiale monodimensionale – uno strato dello spessore di un atomo – le cui applicazioni sono alla base di una rivoluzione industriale.

Se lo si sottopone a temperature di 1.000 °C e a 250.000 volte la pressione atmosferica si ottiene un materiale che potrebbe essere utilizzato per le astronavi del futuro, tanto è resistente e leggero.

Chiamati anche vetri metallici, i metalli amorfi sono dei metalli con una struttura atomica disordinata (caratteristica del vetro). Sono due volte più forti dell’acciaio e possono disperdere l’energia di un impatto in modo più efficace. Hanno proprietà elettroniche tali che consentono di migliorare del 40% l’efficienza delle reti elettriche. Potrebbero costituire la prossima generazione di armature militari.

Ma i due più interessanti, che richiamano molto Star Trek, sono l’alluminio trasparente e l’e-textile.

Quest’ultimo è un materiale che permette di sviluppare abbigliamento che può visualizzare qualsiasi tessuto, proprio come un display. Inoltre, la composizione elettronica del tessuto è in grado di interpretare comandi vocali e touch per attivare, per esempio, una chiamata telefonica o la connessione a qualche server remoto. Le possibilità dell’e-textile sono illimitate.

L’alluminio, invece, il metallo leggero per eccellenza, potrebbe, a breve, essere prodotto in una versione trasparente che potrebbe far riconsiderare, soprattutto, il settore del packaging.

Già nel 2009, a dire il vero, alcuni scienziati di Oxford avevano ottenuto l’alluminio trasparente bombardandolo con impulsi laser, fino a “staccare” un elettrone dall’atomo, il tutto, però, senza intaccare la struttura cristallina tipica del metallo. Il risultato del processo? Un materiale che risultava visibile solo con elevatissime radiazioni ultraviolette. In caso contrario, la trasparenza era assicurata.

Potrebbe essere usato come anti-proiettile e impiegato nel settore del packaging per la produzione, ad esempio, di bottiglie infrangibili.

Ad oggi i costi per la realizzazione sono troppo alti ma, con il tempo e con l’avanzamento delle tecnologie, si confida nel calo dei costi tanto da poter essere impiegato in oggetti di uso comune come smartphone ed orologi.

A dire il vero esiste già un’azienda che dallo scorso anno produce ALON-OPTICAL CERAMIC che a tutti gli effetti viene presentato come alluminio trasparente, tanto che l’azienda così scrive: “Alluminio trasparente, una struttura policristallina fatta di atomi di alluminio, ossigeno e azoto. Apparve come una trovata fantascientifica quasi 30 anni fa, ma adesso è una realtà. È duro quasi quanto lo zaffiro, che dopo il diamante e il carburo di silicio è il più duro cristallo conosciuto”.

L’ossinitruro di alluminio (ALON, appunto) per resistenza e resistenza ai graffi è quattro volte superiore al vetro alluminosilicato. Inoltre, questo materiale è in grado di sopportare una temperatura massima di 2100 gradi Celsius.

Attualmente il punto debole delle blindature sono proprio le parti trasparenti. Il più promettente in questo senso è una ceramica policristallina, in particolare, le ceramiche a base di ossinitruro di alluminio. I ricercatori sostengono anche che l’ALON può essere utilizzato in numerose applicazioni militari e commerciali, come gli oblò delle navicelle spaziali.

Quindi chi sa, tra qualche anno ci potremo davvero vestire con tutine multimediali e viaggiare su astronavi di carbonio e alluminio… per andare lì, dove nessuno è mai giunto prima!