Materiali, Trattamenti termici e superficiali

16 gennaio 2017

Trattamenti di finitura superficiale: Ultrasuoni

Rubrica: Trattamenti di finitura superficiale

Titolo o argomento: Migliorare le caratteristiche delle superfici dei metalli

Lavaggio ad ultrasuoni

Gli ultrasuoni sono suoni ad alta frequenza non udibili dall’orecchio umano. Quando un’energia ad ultrasuoni di alta intensità viene inserita in una soluzione detergente, si creano delle bollicine che implodono con grandissima forza. L’azione pulsante di queste bollicine viene chiamata “cavitazione”. Essa rimuove tutte le contaminazioni di un oggetto immerso nella soluzione detergente. La cavitazione è presente in tutte le aree recesse del particolare, in altre parole in qualsiasi punto raggiunto dal detergente. In questo modo particolari assemblati possono essere puliti completamente senza essere smontati. La tecnologia si differenziava dalle analoghe per particolarità quali l’efficacia, la versatilità ed il minimo impatto ambientale.

Efficacia

L’efficacia dei trattamenti che tramite la cavitazione sono in grado di rimuovere particelle di sporco generico, grassi, oli, protettivi, fosfati ecc., uniformemente e con una elevata precisione sia sulle normali superfici esposte che nelle piccole cavità o punti difficilmente raggiungibili di solito presenti sui particolari da trattare.

Versatilità

La versatilità degli impianti ad ultrasuoni, appositamente realizzati, permette di trattare praticamente tutti i materiali di qualunque forma e dimensione e destinati ai più disparati settori industriali.

Minimo impatto ambientale

Gli impianti ad Ultrasuoni garantiscono un impatto ambientale minimo. Inoltre gli impianti sono dotati di sistemi per la rigenerazione dei bagni di trattamento che estremizza il riciclaggio degli stessi diminuendo la quantità di materiale destinata allo smaltimento.

Decapaggio ad ultrasuoni

Per decapaggio metalli si intende un’operazione chimica atta a rimuovere e disciogliere ossidi superficiali presenti sui pezzi, come per esempio gli ossidi di saldatura o gli ossidi di ricottura, la ruggine, le scorie inquinanti preparando così il particolare alle lavorazioni s successive.

Lavaggio a solvente

Il lavaggio a solvente non è un sistema che sfrutta gli ultrasuoni ma lo menzioniamo in quanto rappresenta una variante da tenere in considerazione per l’asportazione di oli grassi e residui superficiali. Ampiamente utilizzato in tutti i settori produttivi è la migliore soluzione dove sia necessario rimuovere oli e residui dalla superficie facendo si che la stessa sia priva di inquinanti al termine del ciclo di lavaggio. Le caratteristiche di evaporazione, l’efficacia dei prodotti oggi utilizzati e la stabilità del processo rendono questa lavorazione unica e apprezzata in tutti i settori produttivi.

Per cortesia di
S.b.a. Finitura Metalli
sbatech.it

Video

Trovate un video esplicativo del processo di lavaggio ad ultrasuoni al seguente link: https://www.youtube.com/watch?v=Ug5sgBVpU3I

Link correlati

Introduzione ai trattamenti termici degli acciai
Introduzione ai trattamenti superficiali
Introduzione ai trattamenti di finitura superficiale

Quando un’energia ad ultrasuoni di alta intensità viene inserita in
una soluzione detergente, si creano delle bollicine che implodono
con grandissima forza. L’azione pulsante di queste bollicine viene
chiamata “cavitazione”. Essa rimuove tutte le contaminazioni di
un oggetto immerso nella soluzione detergente.

Image’s copyright: zenith-ultrasonics.com

15 gennaio 20179 novembre 2018

Introduzione ai trattamenti di finitura superficiale

Rubrica: Trattamenti di finitura superficiale

Titolo o argomento: Migliorare le caratteristiche delle superfici dei metalli

Questo articolo segue da:
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Oltre ai Trattamenti Termici ed ai Trattamenti Superficiali atti a migliorare le prestazioni meccaniche, generali o localizzate, vi sono trattamenti ideali per preparare le superfici dei pezzi. Trattamenti come quelli di lavaggio ad ultrasuoni permettono ad esempio di rimuovere contaminazioni presenti nei pezzi meccanici, disciogliere ossidi superficiali o asportare oli, grassi e residui superficiali vari.

Trattamenti che fanno uso di vibrazioni, quali ad esempio la vibrofinitura, consentono di sbavare, levigare, lucidare, decappare, passivare pezzi impiegati in particolari ambiti quali l’Automotive o l’Aerospaziale. Si tratta in particolar modo di pezzi che provengono da lavorazioni quali lo stampaggio, la tranciatura, la pressofusione. Permettono inoltre di preparare un pezzo a successive lavorazioni sensibili (come la nichelatura) in quanto la superficie risultante è perfettamente pulita e decontaminata.

Infine i trattamenti di finitura superficiale possono essere utilizzati anche per il miglioramento estetico di una superficie sfruttando pallinature simili alla sabbiatura, nonché per migliorare la resistenza a fatica, di organi particolarmente sollecitati, sottoponendoli ad urti con micropallini che compattino la superficie, bilanciando le tensioni ed impedendo la formazione di pericolose microcricche.

Continua…

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Introduzione ai trattamenti termici degli acciai
Diagramma Ferro Carbonio
Curve di Bain
Punti critici
Ricottura e Ricottura di Normalizzazione
Tempra
Rinvenimento
Bonifica
Cementazione e Carbocementazione
Nitrurazione e Carbonitrurazione
Sinterizzazione

Introduzione ai trattamenti termici delle leghe d’alluminio
Invecchiamento artificiale (Indurimento strutturale)
Bonifica
Ricottura

Introduzione ai trattamenti superficiali
Nichelatura galvanica
Codeposizione
Riporto ceramico
Trattamento laser
Rivestimenti sintetici
Sinterforgiatura
Compattazione isostatica HIP
Superfinitura isotropica ISF

Introduzione ai trattamenti di finitura superficiale
Ultrasuoni
Vibrofinitura
Micropallinatura

Image’s copyright: progressivesurface.com

24 maggio 20165 ottobre 2021

Ripristino di un carter soggetto a fioritura di allumina – Parte 2: Intervento di ripristino

Rubrica: Meccanica off limits

Titolo o argomento: Brevi sfumature per gli appassionati di motori a combustione interna

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Abbiamo visto nel primo articolo che la girante della pompa dell’acqua si è fermata nel momento in cui la spina, che la rende solidale all’albero di comando della pompa stessa, si è erosa. La scaldata provocata dal liquido fermo surriscaldato ha generato una frattura nella verniciatura del carter. L’evento pare si sia verificato ancor prima della rottura del radiatore e poteva essere interpretato come un avviso della presenza di un’anomalia nelle temperature (l’uso tranquillo del motociclo e solo per brevi tratti ha salvato il motore ed ha portato solo una volta all’accensione della spia della temperatura dell’acqua la quale si accende a 118-120°C). Ma non solo, la tenuta dei manicotti è stata anch’essa compromessa e delle minime quantità di liquido che sono state in grado di fuoriuscire, hanno spellato la vernice a partire dal bordo superiore del carter. Delle pelli di vernice si sono distaccate lasciando l’alluminio* esposto agli agenti esterni nonché ad un trafilante liquido di raffreddamento in cui erano presenti nitriti. Come se non bastasse la rugosità del coperchio della pompa dell’acqua è risultata eccessiva per il tipo di organo così, quando il calore ha cotto la guarnizione, il liquido è passato facilmente andando ad accentuare la fioritura di allumina in corso. Da notare che, una volta smontato l’intero impianto di raffreddamento, abbiamo constatato l’assenza (irregolare) del termostato nel radiatore; chi è intervenuto prima ha ritenuto di poter risolvere il problema di raffreddamento permettendo al liquido refrigerante di raggiungere il radiatore anche se non vi era più la pressione per vincere la resistenza della molla. In realtà, date le condizioni, ciò che stazionava nell’impianto di raffreddamento non era più, in gran parte, liquido.

*Con i suoi elementi di alligazione, che sarebbe interessante conoscere tramite analisi chimica e metallografica, per ottenere maggiori info anche sul processo di ossidazione.

Logica di intervento

In simili casi si può cercare di rattoppare quanto si vuole ma non si otterrà alcun valido risultato. E’ quindi imperativo avere la pazienza di smontare tutto, intervenire in modo completo e ricostruire con meticolosità e con tutti gli accorgimenti necessari.

Sverniciatura

Detto fatto, l’intero impianto di raffreddamento e parte di quello di lubrificazione sono stati smontati. In particolar modo, al di là delle parti facilmente sostituibili con altre nuove, è stato di singolare interesse intervenire sul carter motore, e sul coperchio della pompa dell’acqua, asportando la vernice originale (rivelatasi poi particolarmente ostinata) fino a ritrovarsi tra le mani un pezzo crudo. Per l’operazione è stato impiegato un comune sverniciatore industriale per metalli e tanto (ma tanto) olio di gomito.

Lavaggio

Il carter sverniciato è stato lavato a 80°C fino a rimuovere anche la minima traccia di grasso.
Asciugatura

Subito dopo il lavaggio il carter è stato asciugato con aria calda a 60°C in una cabina artigianale appositamente costruita per l’intervento.

Sabbiatura

Il pezzo sverniciato, sgrassato e asciugato è stato poi introdotto nella sabbiatrice dove si è provveduto a rimuovere con cura le zone superficiali affette dall’ossido e dove sono state definitivamente rimosse le ultime parti di vernice persistente. L’operazone è stata effettuata proiettando sulla superficie ossidata un getto di sabbia quarzifera fine (ma sarebbe andata bene anche graniglia metallica indurita, purché fine). L’utilizzo di una grana fine, a scapito di un intervento prolungato, ha offerto il notevole vantaggio di rimuovere solo pochi centesimi di materiale lasciando alla superficie una finitura impeccabile al pari, se non superiore, a quella industriale dell’epoca. Anche la resa estetica ha la sua importanza (specie su una moto dove sono molti gli organi a vista).

Verniciatura speciale

Con il carter motore ed il coperchio della pompa riportati allo stato primordiale si è provveduto poi ad effettuare una verniciatura speciale mediante l’uso di un fondo appositamente concepito per l’alluminio e, allo stesso tempo, per le alte temperature (fino a 700-800°C). Allo scopo sono necessari anche una cabina di verniciatura (anche artigianale purché pulita e dotata di cappa aspirante e filtri) e un forno elettrico (assolutamente, rigorosamente ventilato) in grado di raggiungere almeno i 250°C.

L’operazione di verniciatura è proceduta con la stesura di più strati di fondo (se il colore del fondo piace, non è necessario l’impiego della vernice, che comunque dovrebbe essere sempre specifica per le alte temperature altrimenti si vanifica ogni intento; stesso dicasi per il trasparente) fino ad ottenere la copertura desiderata.

Asciugatura della vernice

Una volta terminata l’operazione di verniciatura (nel mio caso con il solo fondo di un bellissimo colore grigio opaco hi-tech, leggermente raggrinzante) si sono lasciati asciugare i pezzi in una sorta di camera bianca artigianale a temperatura ambiente per 24 ore.

Correzione errori

L’asciugatura a temperatura ambiente permette facili correzioni con diluente (operazione estremamente delicata che porta a facili errori) e abrasivi (rigorosamente a grana finissima (almeno 1200) in caso di errori.
Shock termico

Constatato che il pezzo è venuto ad immagine e somiglianza delle proprie aspettative, il ricorso al forno risulta d’obbligo in quanto i fondi per le alte temperature hanno bisogno di uno shock termico per indurire (stiamo parlando quindi di una sorta di trattamento termico a poche centinaia di gradi utile ad accrescere notevolmente le proprietà della vernice).

Curve di riscaldamento e raffreddamento

Nel mio caso ho effettuato un riscaldamento lento dei pezzi portandoli da 21°C a 250°C in circa 30-40 minuti; la temperatura di 250°C è stata mantenuta per 60 minuti (con la ventilazione sempre attiva) ed infine si è operato un graduale abbassamento della stessa per circa 120 minuti prima di tornare alla temperatura ambiente.

Note per la sicurezza

Attenzione, le operazioni descritte vanno effettuate in ambienti altamente ventilati e filtrati adoperando oltretutto apposite protezioni per gli occhi, il naso, la bocca e le mani. L’inalazione delle sostanze chimiche coinvolte, già a temperatura ambiente, può provocare gravi irritazioni e intossicazioni (con il riscaldamento in forno poi non ne parliamo). Seguire sempre le avvertenze poste sui prodotti ed i macchinari utilizzati in quanto l’autore di questo articolo non è in alcun modo responsabile dell’altrui operato.

Situazioni da evitare

Affidare questo intervento ad un carrozziere può rivelarsi inutile in quanto i forni da carrozzeria raggiungono i 50-60°C e non permettono di posare vernici per alte temperature effettuando poi lo shock termico. Diversi carrozzieri contattati non disponevano di fondi e vernici appositi per l’alluminio, né per le alte temperature, né di sabbiatrici ma non sono stati professionali da comunicarlo (l’ho dovuto scoprire da solo decidendo così di effettuare l’intervento autonomamente). Un paio di furbetti volevano coprire l’allumina verniciando sopra con normale vernice per carrozzerie, l’intervento sarebbe risultato, oltre che costoso, perfettamente inutile. Rivolgetevi sempre a carrozzieri adeguatamente attrezzati che fanno lavorazioni speciali, su mezzi speciali (ad esempio storici o da corsa) per passione o a quelle aziende che effettuano trattamenti superficiali sui metalli (pulizia, verniciatura, finitura…). Evitate la fretta.

Rimontaggio

Il rimontaggio è stato piacevole ma estremamente lungo per l’elevato numero di dettagli cui tenere conto quando si opera con gli impianti di raffreddamento e lubrificazione. Nessuna segnalazione particolare in tal proposito se non l’importanza di posizionare correttamente i paraoli, con strumenti dedicati, al fine di massimizzarne la tenuta. Il rispetto delle coppie di serraggio ha avuto anch’esso la sua importanza in quanto, se un coperchio di una pompa dell’acqua non tiene, non ha senso alcuno stringere le viti di più. A meno che non si desideri rompere un filetto dentro un carter, cosa accaduta a chi ha operato prima. Rimuovere dalla sua sede una vite danneggiata è un’odissea che tratteremo volentieri in un articolo dedicato, così come tratteremo l’importanza dei serraggi controllati e le motivazioni per cui, se un impianto ha una perdita, non ha alcun senso stringere viti oltre i serraggi previsti (a priori non fatelo mai).

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23 maggio 20165 ottobre 2021

Ripristino di un carter soggetto a fioritura di allumina – Parte 1: Analisi

Rubrica: Meccanica off limits

Titolo o argomento: Brevi sfumature per gli appassionati di motori a combustione interna

Non di rado, o meglio, quasi sempre, un danno importante per un motore può nascere da un problema esiguo se non stupido. Il rapporto tra le dimensioni di causa ed effetto è generalmente lo stesso sia per l’entità tecnica del danno che per quella economica. Questo significa che un problema in principio stupido e risolvibile con una spesa irrisoria, si tramuta, se trascurato o ignorato, in un problema tanto consistente quanto costoso.

E’ il caso del carter motore (lato frizione), con annessa pompa dell’acqua, di cui riportiamo le immagini in basso in questo e nel successivo articolo. Una vera e propria sciocchezza, perfettamente evitabile, ha provocato un marasma che ha richiesto oltre 20 ore di denso impegno per capirne le cause, studiare un rimedio, metterlo in pratica e ricostruire il tutto a regola d’arte.

All’apparenza sembrava trattarsi di un radiatore rotto, problema comune che si può verificare in seguito ad un urto importante (anche con una semplice caduta della moto da ferma) o a seguito di più urti concentrati come quelli provocati dai sassi sollevati sulla strada. Anche le vibrazioni possono dare il loro contributo specie sui motori poco frazionati e non perfettamente equilibrati quali sono i monocilindrici di ampia cilindrata come quello della moto in questione, una BMW F650GS.

In realtà il problema era ben altro. Una semplicissima spina, che tiene solidale la girante della pompa dell’acqua al suo albero di comando, si è deteriorata per erosione. Le cause sono ancora da accertare ma tra le possibili troviamo l’uso di liquidi di raffreddamento con nitriti (spesso si crede di risparmiare con successo su queste cose e invece si fanno importanti danni con conseguenti importi ben più alti di una buona tanichetta di liquido di raffreddamento o di olio) o fenomeni di cavitazione dovuti ad una non perfetta tenuta del coperchio della pompa con il carter che la ospita. Purtroppo quel che rimaneva della spina si è distrutto sotto l’azione del cacciaspine e non è stato possibile effettuare un’analisi più approfondita.

Ad ogni modo, non essendo più la girante solidale all’albero, per la mancanza di contatto che doveva esser garantita dall’apposita spina, la girante stessa si è fermata cessando di operare sul liquido; quest’ultimo è andato in ebollizione (riuscendo a raggiungere solo in minima parte il radiatore, per l’effetto termosifone sfruttabile perlopiù sui motori 2 tempi) e gli elementi del radiatore si sono separati tra loro (in una sorta di esplosione rallentata) permettendo al fluido di fuoriuscire. Il danno non è partito quindi da un costoso radiatore, né da una costosa pompa dell’acqua, ma da una oltremodo economica spina del valore di pochi centesimi e, andando ancora più a monte, da una pessima manutenzione del motociclo.

Continua…
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Ripristino di un carter soggetto a fioritura di allumina – Parte 1: Analisi
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24 maggio 201414 gennaio 2020

Principio di funzionamento della microscopia a scansione di sonda

Rubrica: Strumenti e attrezzature

Titolo o argomento: I mezzi per studiare morfologia e proprietà dei corpi solidi

Segue da:
Che cos’è la Microscopia a scansione di sonda?

Principio di funzionamento

Come introdotto nel precedente articolo di questa rubrica, la microscopia a scansione di sonda (Scanning Probe Microscopy o, semplicemente, SPM) investiga microstrutture superficiali, e le relative proprietà locali, mediante una speciale sonda appuntita a forma di ago. La porzione di ago utilizzata nelle analisi ha dimensioni pari a soli 10 nanometri. La distanza tra punta e campione (che non si toccano mai) è solitamente compresa tra 0,1 e 10 nanometri. A seconda del tipo di SPM vi sono diverse modalità di interazione tra punta e campione utili per generare indirettamente una mappa tridimensionale della superficie analizzata.

Si sfrutta ad esempio la corrente elettrica, più precisamente l’effetto tunnel, nei microscopi di tipo STM (microscopi a effetto tunnel), così come si sfruttano le forze di van der Waals (forze di tipo attrattivo e repulsivo a livello atomico) nei microscopi di tipo AFM (microscopi a forza atomica). Ma si può far perno anche su forze di tipo magnetico, forze elettriche e persino fenomeni ottici, al fine di ottenere indirettamente la scansione di una superficie a livello atomico.

In ognuno dei casi citati lo scopo è quello di tenere sempre costante la distanza tra la sonda ed il campione, ovviamente questo non è direttamente possibile in quanto ogni superficie, anche quella apparentemente più liscia, se ingrandita mostra delle importanti irregolarità (specie a livello atomico). Per riuscirci è necessario ricorrere a qualche stratagemma, lo stesso che poi permette di mappare la topografia superficiale.

Ora se utilizziamo un principio fisico (corrente elettrica, forze atomiche, forze magnetiche, forze elettriche, fenomeni ottici) possiamo sapere che ad una precisa distanza della sonda dal campione l’entità del tale fenomeno fisico ha un preciso valore corrispondente (che nel nostro esempio chiameremo parametro “P” – vedi l’immagine in basso). Ovviamente vi è una dipendenza univoca tra il parametro “P” e la distanza “z” che intercorre tra sonda e campione. A questo punto un sistema, detto di retroazione “FS”, si occupa di mantenere costante la distanza punta-campione semplicemente controllando le variazioni del parametro “P” al fine di apportare correzioni alla distanza sonda-campione e riportarla quasi istantaneamente al valore “P₀” impostato dall’operatore. Affinché ciò sia possibile il segnale che interpreta lo scostamento dal parametro “P” (ΔP = P-Po) viene amplificato ed inviato ad un trasduttore piezoelettrico “PT” incaricato di effettuare il controllo. Nel caso in cui lo scostamento dal parametro “P” sia maggiore di 0,01 Å (dove Å significa Ångström ovvero 1×10^-10 m) il trasduttore riporta la distanza al valore predefinito (che corrisponde ovviamente ad un ΔP nullo, ovvero segnale differenziale nullo).

In questo archibugio risiede il trucco per il rilievo topografico della microstruttura superficiale presa in esame. Sono infatti tutti i valori degli scostamenti da “P₀“, una volta memorizzati, a fornire i dati per tracciare al computer una mappa fedele della superficie (immagine topografica). Oltre alla analisi topografica della superficie i microscopi a scansione permettono analisi di altre proprietà (meccaniche, elettriche, magnetiche, ottiche) fondamentali per chi opera nei più disparati settori correlati alla fisica delle superfici.

Continua…

Si ringrazia per i preziosi spunti, la disponibilità ed il materiale di studio fornito il Prof. Andrea Di Donato del dipartimento di Ingegneria Biomedica, Elettronica e delle Telecomunicazioni dell’Università Politecnica delle Marche.

Unità di misura e conversioni

1 nm = 1 x 10^-6 mm ovvero 0,000001 mm (milionesima parte del millimetro)
1 nm = 1 x 10^-9 m ovvero 0,000000001 m (miliardesima parte del metro)

1 Å = 0,1 nm = 1 x 10^-7 mm ovvero 0,0000001 mm (decimilionesima parte del mm)
1 Å = 1 x 10^-10 m ovvero 0,0000000001 m (decimiliardesima parte del metro)

0,01 Å = 0,001 nm = 1 x 10^-9 mm ovvero 0,000000001 mm (miliardesima parte del mm)

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Che cos’è la Microscopia a scansione di sonda?
Principio di funzionamento della microscopia a scansione di sonda
Tipologie di microscopia a scansione di sonda (STM, AFM, EFM, MFM, SNOM) – Articoli in modalità PRO
Utilità, applicazioni e destinatari della microscopia a scansione di sonda – Articoli in modalità PRO
Ralph DTE nanometrico – Prossimamente

Schema microscopia a scansione di sonda SPM

Schema logico di funzionamento della microscopia a scansione di sonda SPM.
Immagine tratta dalle dispense universitarie.

18 maggio 201414 gennaio 2020

Che cos’è la microscopia a scansione di sonda?

Rubrica: Strumenti e attrezzature

Titolo o argomento: I mezzi per studiare morfologia e proprietà dei corpi solidi

La microscopia a scansione di sonda (Scanning Probe Microscopy o SPM) è una tecnica che permette lo studio della morfologia e delle proprietà locali dei corpi solidi. Detto più semplicemente, permette di analizzare le superfici dei materiali traendone mappe tridimensionali e preziose informazioni fisiche. Per raggiungere lo scopo essa si avvale di potenti strumenti ad alta risoluzione spaziale.

Se inizialmente si trattava di una tecnica difficilmente accessibile e considerata peculiarità di pochi centri di ricerca, oggi è ormai largamente diffusa e disponibile per la stragrande maggioranza dei ricercatori in fisica delle superfici e tecnologia dei film sottili. Tale tecnica ha dato origine allo sviluppo di nuovi metodi adottati con esiti soddisfacenti nel campo delle nanotecnologie, ovvero in quell’ambito dove si creano strutture su scala nanometrica.

Il primo microscopio a scansione di sonda fu quello ad effetto tunnel definito anche STM ovvero Scanning Tunnelling Microscopy. Frutto del genio degli scienziati svizzeri Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (siamo nel 1981) il microscopio a scansione di sonda ad effetto tunnel è allo stesso tempo semplice ed efficace per ricavare informazioni fisiche su una superficie avvalendosi di una risoluzione spaziale spinta fino alle dimensioni atomiche.

La microscopia a scansione di sonda investiga le superfici mediante una speciale sonda appuntita a forma di ago. La porzione di ago utilizzata nelle analisi ha dimensioni pari a soli 10 nanometri. La distanza tra punta e campione (che non devono mai entrare in contatto) è solitamente compresa tra 0,1 e 10 nanometri. A seconda del tipo di SPM vi sono diverse modalità di interazione tra punta e campione utili per generare indirettamente una mappa tridimensionale della superficie analizzata. Si sfrutta ad esempio la corrente elettrica, più precisamente l’effetto tunnel, nei microscopi di tipo STM (microscopi a effetto tunnel), così come si sfruttano le forze di van der Waals (forze di tipo attrattivo e repulsivo a livello atomico) nei microscopi di tipo AFM (microscopi a forza atomica). Ma si può far perno anche su forze di tipo magnetico, forze elettriche e persino fenomeni ottici, al fine di ottenere indirettamente la scansione di una superficie a livello atomico.

Nel caso già accennato dell’STM la modalità di interazione tra punta e campione si basa sulla corrente di tunnel tra punta metallica e campione conduttore (come vedremo in seguito, si produce una differente intensità di corrente tra gli estremi sonda-campione, ai quali è applicata una tensione, a seconda della distanza che vi intercorre; un sistema retroattivo, per riportare la distanza sonda-campione al valore predefinito, restituisce in uscita il valore di picchi e avvallamenti della superficie misurati nell’ordine dei nanometri). Tale tecnica venne riconosciuta quando permise di vedere la struttura atomica di alcune superfici tra cui, in particolare, quella del silicio monocristallino (di cui avrete già sentito parlare nel campo, ormai largamente diffuso, dei pannelli fotovoltaici). Oggi la microscopia a scansione di sonda rappresenta un settore di tecnologia e di ricerca applicata in crescente espansione.

La microscopia a scansione di sonda si avvale di diverse tecniche, ognuna delle quali fa perno su differenti principi fisici, per analizzare la morfologia delle superfici. Dopo il microscopio ad effetto tunnel (STM), infatti, nacquero rapidamente il microscopio a forza atomica (AFM), quello a forza magnetica (MFM), quello a forza elettrica (EFM) ed il microscopio ottico a scansione in campo vicino (SNOM). Ne vedremo in maniera semplificata il principio di funzionamento, l’utilità ed i campi di applicazione, nonché le principali caratteristiche distintive tipo per tipo negli articoli correlati.

Continua…

Unità di misura e conversioni

1 nm = 1 x 10^-6 mm ovvero 0,000001 mm (milionesima parte del millimetro)
1 nm = 1 x 10^-9 m ovvero 0,000000001 m (miliardesima parte del metro)

1 Å = 0,1 nm = 1 x 10^-7 mm ovvero 0,0000001 mm (decimilionesima parte del mm)
1 Å = 1 x 10^-10 m ovvero 0,0000000001 m (decimiliardesima parte del metro)

0,01 Å = 0,001 nm = 1 x 10^-9 mm ovvero 0,000000001 mm (miliardesima parte del mm)

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Ralph DTE nanometrico – Prossimamente

Esempio di superficie da analizzare riprodotta virtualmente, a livello atomico,
assieme alla sonda appuntita. In evidenza l’effetto tunnel e la migrazione degli
elettroni (rappresentata dal fascio luminoso) nel momento di massima intensità,
ovvero quando la sonda raggiunge la distanza minima prevista dalla superficie.

Images created by Archimedes Exhibitions (www.archimedes-exhibitions.de) for
the Max Planck Institute of Microstructure Physics (www.mpi-halle.mpg.de)

6 settembre 2013

Quattro volte buggerati dall’immondizia

Rubrica: Così è la vita

Titolo o argomento: Rimetterci solo perchè ci manca qualche nozione
Uno: paghi l’imballo di un prodotto… ora è tuo.

Quando acquisti un prodotto, ad esempio alimentare, una buona parte del prezzo che paghi è dato dalla confezione*, ad esempio una bottiglia in vetro di una passata di pomodoro o di una marmellata o il barattolino di plastica di uno yogurt, ecc.. Si tratta di una prima spesa che, giustamente, l’azienda produttrice del bene mette a tuo carico. Quando getti il contenitore dell’esempio stai gettando il tuo denaro e un oggetto di tua proprietà che non sai come usare in altra maniera. Spreco di denaro a tuo carico perchè nessuno ti ha illustrato gli utilizzi alternativi del tuo oggetto al termine della prima delle molteplici funzioni che può svolgere.

Due: paghi il servizio di raccolta per contenitori che hanno un valore

Quando getti il contenitore dell’esempio paghi un servizio di raccolta rifiuti. Paghi quindi per gettare qualcosa che hai pagato e che ti appartiene anche se ancora non lo sai o non riesci a percepirlo a pieno. Personalmente mi rendo conto di come possa risultare ostile questo pensiero eppure, pagare per buttare qualcosa che ho pagato poco prima, e utilizzato una sola volta, mi sembra ancora più ostile.
In effetti noi non abbiamo l’idea di aver acquistato un prodotto nella sua globalità, bensì di aver acquistato il contenuto di una confezione la quale ci offre un servizio che tuttalpiù abbiamo stipendiato una volta. La confezione quindi non appare alla mente come nostra ma come un dipendente di cui disfarsi il prima possibile.

Tre: paghi la materia prima per altri

Quando getti il contenitore dell’esempio attraverso la raccolta differenziata vi sono aziende che recuperano, a tue spese, l’oggetto che tu hai pagato e che ti appartiene. Sebbene questo giovi al pianeta, e sia molto utile, non basta. Paghi infatti per gettare qualcosa che hai pagato e che ti appartiene e paghi per cedere un tuo oggetto a terzi che lo riutilizzano al tuo posto gratuitamente (del resto ciò che getti non è più tuo). A mio avviso i contenitori che hai pagato e ora sono tuoi possono trovare una nuova vita già in casa tua o dove lavori, in caso contrario dovrebbero essere “venduti” a chi li ricicla dato che tu li hai pagati. La vendita potrebbe avvenire attraverso importanti sconti in bolletta visto che ci sono costi di trasporto, lavaggio e stoccaggio ma non di discarica.

Quattro: anche il lavaggio? Insomma paghi tutto tu?

La quarta spesa di cui tener conto, e che tra l’altro è quella che ha stimolato in me la voglia di scrivere questo articolo, fa riferimento ad una situazione che ho vissuto pochi giorni fa. In diversi casi oggi viene addirittura proposto ai cittadini di lavare in casa i contenitori che vengono gettati nella raccolta differenziata. Paghi quindi i contenitori all’inizio, paghi per gettare qualcosa che hai pagato, paghi per cedere un tuo oggetto a terzi e paghi per il lavaggio che dovrebbe essere di competenza di chi usufruisce delle tue cose senza che tu venga remunerato (anche se hai qualche confusione ora inizi a percepirlo almeno in parte).

Conclusioni

Ben venga la raccolta differenziata e le tre erre della sostenibilità (ridurre, riutilizzare, riciclare – vedi i link correlati) ma, come minimo, il servizio dovrebbe essere notevolmente scontato se non addirittura gratuito e senza incombenze a carico di colui che decide di disfarsi di un oggetto che ha già pagato. Svolgendosi l’azione in Italia, possiamo già immaginare che l’eventuale (ed improbabile) attuazione di una simile metodica porterebbe di riflesso un incremento dei prezzi dei prodotti per pagare prima spese che credi di evitare in seguito. In altri paesi, realmente emancipati, semplicemente… non è così.
Così da qualche tempo ho iniziato a raccogliere i miei contenitori (già pagati) nel mio magazzino in modo tale che possa decidere io eventualmente a chi regalarli o venderli o come riutilizzarli per le mie utilità come vedremo in qualche esempio della seconda parte di questo articolo.

Una curiosità

Il ragazzo della differenziata non vedendo mai oggetti di vetro nel mio contenitore ha pensato che li gettassi nell’indifferenziata e quando gli ho spiegato che i contenitori sono miei e non li getto gratuitamente né tantomeno “pagando”, l’ho visto prima perplesso e poi incuriosito dal fatto che… non ci aveva mai pensato. Non siamo cioè abituati a pensare che quando acquistiamo un prodotto stiamo pagando anche il contenitore (ma non solo…). Per forza! Stiamo diventando scemi a scaricare le “app” per lo smartphone, come si può anche lontanamente credere di lasciare uno spazio della mente all’attività di ragionamento?

*Se non fai o non hai fatto studi di tipo tecnico, professionale o gestionale è comprensibile la difficoltà nel capire.

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Riutilizzare il packaging

Una volta buttavo ogni tipo di contenitore nell’immondizia e acquistavo nuovi contenitori
per la minuteria del mio laboratorio. Semplicemente privo di senso. Da qualche tempo
utilizzo i contenitori dello yogurt per differenziare viti, rondelle, dadi, bulloni, fermagli,
coppiglie e quant’altro. La ricerca della minuteria si è velocizzata notevolmente,
non ho acquistato nuova plastica, non ho gettato quella che avevo già pagato e
c’è finalmente equilibrio. Ma questo è solo uno dei tanti esempi…

27 aprile 2012

Dalle ragnatele al bioacciaio, passando per le capre…

A dire il vero mi rendo perfettamente conto di quanto il titolo possa sembrare sballato, eppure un curioso materiale, più precisamente un bioacciaio denominato BioSteel®, è il reale frutto di una scoperta, risalente addirittura a diversi anni fa, della ricerca scientifica in biomimetica a cura della Nexia Biotechnologies Inc.. Immaginate di innestare nel DNA di una capra il gene prelevato da due precise specie di ragni (scelti tra quelli che tessono le fibre più resistenti) e immaginate che ora il latte prodotto dalla capra transgenica contenga le proteine necessarie a fabbricare in quantità consistenti questa eccezionale tela. I monomeri che si ottengono vengono distrutti in una soluzione acquosa ottenendo come risultato fibre insolubili denominate per l’appunto BioSteel® esattamente con lo stesso metodo utilizzato dai ragni.

Nel ragno apposite ghiandole, dette filiere, secernono costantemente due tipologie di filamenti setosi partendo da proteine. Il primo tipo ha il compito di intrappolare le prede, il secondo tipo (detto dragline ovvero filo teso) suscita particolare interesse nella comunità scientifica per le sue proprietà meccaniche. Il dragline, infatti, possiede proprietà di resistenza, modulo elastico e allungamento simili se non superiori a quelle dei migliori acciai (carico di rottura compreso tra 1,3 e 1,6 GPa) nonostante la densità dei filamenti sia decisamente inferiore rispetto alla densità degli acciai stessi. Caratteristiche simili sono apprezzabili ad esempio nel kevlar (fibra sintetica aramidica con resistenza 5 volte superiore a quella dell’acciaio). Tuttavia la produzione di bioacciaio sembra avere un minore impatto sull’ambiente non utilizzando i solventi tossici adottati per la realizzazione della maggior parte delle fibre sintetiche. Cosa ne penseranno le capre?

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Che cos’è la Biomimetica?
Esempi di Biomimetica

Fibre setose ragnatela

Macro di una ragnatela.
Image’s copyright: Cora Marshall

14 settembre 2011

Nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio sono nanostrutture monodimensionali (vedi l’articolo: Materiali nanostrutturati) il cui rapporto tra la lunghezza ed il diametro può raggiungere valori molto elevati pari a L/d = 10.000 – 100.000. Sono caratterizzati da sorprendenti proprietà meccaniche ed interessanti proprietà ottiche ed elettroniche. Un nanotubo a parete singola può essere visto come un singolo piano grafitico (grafene) arrotolato attorno ad un asse.

Il grafene ha un modulo di Young (modulo di elasticità longitudinale il quale misura il rapporto tra sforzo e deformazione: E = σ/ε) molto elevato nell’ordine di 1 Tpa (un tera-pascal, vedi l’articolo: Fattore di moltiplicazione). Ciò si spiega grazie al legame covalente C-C nel piano. Sembrerebbe inoltre che la flessione del piano grafenico porti ad un ulteriore aumento del modulo di Young (su questo fenomeno attualmente si stanno effettuando approfondite ricerche). I nanotubi di carbonio, quando deformati lungo il proprio asse, manifestano un’elevatissima resistenza a frattura. Simulazioni di dinamica molecolare, eseguite al computer, indicano che i nanotubi dovrebbero riassumere la forma originaria una volta annullato lo sforzo applicato. Il carico specifico (rapporto: carico/peso) risulta essere estremamente elevato e rende appetibili i nanotubi per applicazioni in qualità di fibra di rinforzo nei materiali compositi. Nonostante ciò, in progettazione, va tenuto conto di una forte anisotropia causata dalla scarsa coadesione tra nanotubi ovvero lungo il piano perpendicolare all’asse. In altre parole ciò significa che i legami che costituiscono ogni singolo nanotubo sono decisamente forti mentre i legami che intercorrono tra più nanotubi sono piuttosto deboli.

I nanotubi si suddividono in due principali categorie: i Single-Walled nanotubes (SWNT), ovvero i nanotubi a parete singola ed i Multi-Walled nanotubes, ovvero i nanotubi a parete multipla. Parleremo presto in modo più approfondito delle particolarità di queste due tipologie di materiali nanostrutturati.

Possiamo immaginare i nanotubi di carbonio come una rete metallica a trama esagonale
(di quelle che si trovano in ferramenta) arrotolata intorno all’asse longitudinale.
Image’s copyright: Swiss Nanoscience Institute (www.nanoscience.ch)

Image’s copyright: zenith-ultrasonics.com

Image’s copyright: progressivesurface.com

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Schema logico di funzionamento della microscopia a scansione di sonda SPM. Immagine tratta dalle dispense universitarie.

Images created by Archimedes Exhibitions (www.archimedes-exhibitions.de) for the Max Planck Institute of Microstructure Physics (www.mpi-halle.mpg.de)

*Se non fai o non hai fatto studi di tipo tecnico, professionale o gestionale è comprensibile la difficoltà nel capire.

Macro di una ragnatela. Image’s copyright: Cora Marshall

Possiamo immaginare i nanotubi di carbonio come una rete metallica a trama esagonale (di quelle che si trovano in ferramenta) arrotolata intorno all’asse longitudinale. Image’s copyright: Swiss Nanoscience Institute (www.nanoscience.ch)

Schema logico di funzionamento della microscopia a scansione di sonda SPM.
Immagine tratta dalle dispense universitarie.

Images created by Archimedes Exhibitions (www.archimedes-exhibitions.de) for
the Max Planck Institute of Microstructure Physics (www.mpi-halle.mpg.de)

Macro di una ragnatela.
Image’s copyright: Cora Marshall

Possiamo immaginare i nanotubi di carbonio come una rete metallica a trama esagonale
(di quelle che si trovano in ferramenta) arrotolata intorno all’asse longitudinale.
Image’s copyright: Swiss Nanoscience Institute (www.nanoscience.ch)