e materiali intelligenti
11.4 High performance and smart materials
destinazione d’uso e comportamento degli utenti.
- nuove funzionalità legate al confort (resistenza ad agenti aggressivi, igiene, controllo dell’umidità, isolamento termico, acustico ed elettromagnetico.
- introduzione delle biotecnologie e delle
nanotecnologie per il controllo delle prestazioni e il risparmio di risorse nel processo produttivo e lungo il ciclo di vita.
- compatibilità con tecnologie ICT (sensori, tracciatura, etc).
- tempi e costi di produzione ridotti grazie a processi innovativi e tailor made.
- capacità di autodiagnosi, controllo delle funzionalità ed automazione.
Nella varietà di materiali avanzati che attualmente impieghiamo in ambito architettonico possiamo individuare due principali famiglie: i materiali high performance,11 con prestazioni fisse, dove le caratteristiche sono predeterminate attraverso proprietà chimico-fisiche; e i materiali smart, con la capacità di modificare i propri attributi in risposta a stimoli esterni. Tra i materiali high performance possiamo distinguere:
- materiali strutturali avanzati (fibrorinforzati, calcestruzzi ad alte prestazioni, vetri strutturali, schiume metalliche e polimeriche).
- materiali termostrutturali (fibre, resine
termoresistenti, ceramici avanzati, ceramiche trasparenti, schiume ceramiche).
- materiali a proprietà superficiali (rivestimenti nanostrutturati antiusura, anticorrosione, termici e fotocatalitici, vetri autopulenti, selettivi e
bassoemissivi)
Per i materiali smart invece troviamo due categorie:
- materiali property changing
elettrocromici) a cambiamento di fase e memoria di forma.
- materiali energy exchanging (sensori e attuatori piezoelettrici, foto-elettro-chimicoluminescenti, organici) per la conversione fotovoltaica.
Si definiscono ‘smart’,12 cioè intelligenti, quei mate-riali che reagiscono con i cambiamenti dell’ambiente circostante modificando una o più delle loro
proprietà (meccaniche, ottiche, elettriche,
magnetiche, chimiche o termiche). L’adattabilità dei materiali è misurata in funzione della loro capacità di saper sfruttare le risorse naturali, o di reagire agli input ambientali in maniera più o meno autonoma, riproducendo almeno in parte le strategie tipiche della natura animata e quindi reagendo alle condizioni esterne in modo quasi-biologico. Con l’aiuto della chimica, sono nati nuovi materiali prodotti dall’uomo in grado di assumere differenti forme, aspetti e proprietà: materiali progettabili, creati su misura per assolvere a precise funzioni.
Vengono definiti funzionalizzati: ossia che riescono ad incorporare la capacità di reagire a specifiche sollecitazioni grazie all’apporto di sostanze in grado di modificarne alcune loro caratteristiche
fisico-chimiche.
Accanto a questo tipo di tecniche di trasformazione, gli sviluppi della chimica e della fisica hanno potuto portare il livello di manipolazione dei materiali molto oltre la dimensione macroscopica, riuscendo ad operare alla scala del nanometro (pari ad 1 miliardesimo di metro), da cui il termine
nanotecnologia. Questa disciplina interviene sulla materia ricombinandola e progettandola a partire dai singoli o dai gruppi di atomi che la costituiscono, dando vita a compositi microscopici dotati di
prestazioni su misura, completamente artificiali, ma efficienti, stabili, performanti e selettivi quasi quanto quelli presenti in natura.
11.4.1 Materiali smart
Ispirandosi al processo interno di autoregolazione proprio degli organismi viventi, lo studio Decker e Yeadon ha sviluppato una facciata intelligente a doppia pelle con interposto un layer innovativo capace di reagire, aprendosi e chiudendosi, al variare della temperatura.
Le nanotecnologie sono tecniche che consentono di determinare le proprietà dei materiali alla
piccolissima scala, misurabile in nanometri (1 nanometro = 1 milionesimo di millimetro, ossia cinque-dieci volte superiore alle dimensioni di un atomo). A tale scala i materiali comuni (come metallo, vetro o ceramica), manipolandone la struttura molecolare o atomica, presentano
caratteristiche e proprietà completamente diverse da quelle consuete nel loro stato solido.13
Le nanoscienze costituiscono il punto d’ incontro tra discipline differenti che vanno dalla fisica
quantistica alla chimica supramolecolare, dalla scienza dei materiali alla biologia molecolare. Oggi rappresentano una realtà ormai affermata nel mondo della ricerca. Le nanotecnologie, sfruttando ed applicando i metodi e le conoscenze derivanti dalle nanoscienze, stanno attraversando una fase di pieno sviluppo. Facendo riferimento ad un insieme di tecnologie, di tecniche e di processi, esse
richiedono un approccio multidisciplinare. Le nanotecnologie permettono di creare ed utilizzare materiali, dispositivi e sistemi di dimensioni nanometriche. Le prospettive rivoluzionarie che queste tecnologie sono in grado di aprire derivano dal fatto che, a questi livelli dimensionali, comportamenti e caratteristiche della materia cambiano drasticamente. Per questo le
nanotecnologie rappresentano un nuovo modo di produrre materiali, strutture e dispositivi con proprietà e funzionalità notevolmente migliorate o del tutto inedite.13
11.4.2 Nanotecnologie
Sono definiti eco-attivi14 quei materiali con proprietà fotocataliche, igroregolatrici, purificanti o
batteriostatiche i quali presentano caratteristiche e comportamenti atti a precise esigenze o
destinazioni d’uso. L’utilizzo di questi materiali può ridurre notevolmente i costi di manutenzione e l’impatto ambientale complessivo. I materiali eco-attivi sono molto efficaci anche quando applicati in ambienti interni, grazie alla loro particolare composizione. Per questo negli ultimi anni sono nati un gran numero di pannelli, piastrelle, vernici, intonaci e calcestruzzi dalle caratteristiche eco-attive.
Nelle prime generazioni di prodotti eco-attivi
l’attivazione era resa possibile grazie all’esposizione ai raggi solari o alle radiazioni di lampade UV. Gli sviluppi odierni hanno permesso di creare nuovi materiali in grado di avere un comportamento attivo anche all’interno di ambienti chiusi o in assenza di attivatori.15
Gli ambienti interni richiedono di essere confortevoli e salubri, per questo risulta d’importanza cruciale controllarne il livello qualitativo dell’aria. Questo è in genere definito dalla presenza o dall’assenza di determinate sostanze, oltre che dal tasso di umidità e di comfort olfattivo. Piastrelle o rivestimenti con proprietà igroregolatrici possono migliorare la qualità dell’aria e contrastare adeguatamente l’inquinamento olfattivo negli ambienti confinati, ostacolando di conseguenza anche la propagazione delle muffe. Tali capacità sono dovute all’impiego di speciali argille o del carbone attivo, che possono essere contenuti in carte da parati, schiume filtranti o non-tessuti. La loro struttura altamente porosa è caratterizzata da un ampia area assorbente, ideale per catturare i composti volatili organici, gli agenti inquinanti e gli odori. Anche il biossido di titanio consente di dar vita a materiali in grado di
contrastare l’inquinamentoatmosferico. Tale composto abbatte le sostanze tossiche presenti nell’aria, trasformandole in sali del tutto innocui.12