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Il Prof. Gianaurelio Cuniberti, professore di Scienza dei materiali e nanotecnologia presso la TU Dresden, si dedica alla ricerca di materiali innovativi: insieme al suo team universitario ha già contribuito con molto successo allo sviluppo della tecnica odierna degli smart phone.

L’intervista al Prof. Cuniberti:”Smart Materials: Materiali intelligenti alla conquista del mercato” 

Intervista del giornalista Hadi Stiel  pubblicata qui il 4 aprile 2017.
Traduzione dell’articolo dal tedesco all’italiano: Astrid Vogel (ITKAM).

Gli smart materials, materiali con caratteristiche straordinarie, assumono sempre di più i compiti dei circuiti di misura, di controllo e di regolazione.

Gianaurelio Cuniberti, professore di Scienza dei Materiali e Nanotecnologie presso la TU Dresden, spiega a che punto ci si trova con lo sviluppo di questi materiali, alcuni di questi in uno stadio avanzato, altri invece in via di sviluppo.

Quali sono i materiali intelligenti più sviluppati in termini di applicazione?

Gli smart materials sono stati i primi ad avviare il rapido sviluppo della micro elettronica. Hanno contribuito ai successi rivoluzionari nella tecnologia del silicio. Ulteriori esempi di materiali intelligenti che sono in grado di pensare, sentire, agire ed adattarsi automaticamente al contesto e che sono già adatti all’uso quotidiano, sono vetri infrangibili per smartphone leggeri e meccanicamente estremamente resilienti, compositi e strutture fibrose e stratificate usati per l’ingegneria aeronautica,  e batterie ultra efficaci dell’ultima generazione. Anche gli OLED, al cui sviluppo ha notevolmente contribuito la TU a Dresda, e che oggigiorno trovano la loro applicazione in grandi quantità all’interno dei display di smartphone, sono un ulteriore buon esempio per evidenziare quanto velocemente le scoperte elementari derivate dall’ambito delle scienze naturali possano conquistare il mercato. La ricerca degli smart materials, come il carbonio bidimensionale, le leghe a memoria di forma e dei polimeri camaleonte, è ad un punto tale che si stima di riuscire a portare a termine il passaggio verso la loro applicazione tecnica nel corso dei prossimi anni.

Quali aree industriali trarranno il maggior beneficio dall’uso di materiali intelligenti durante i prossimi anni?

Nel corso dei prossimi anni saranno ambiti come le tecnologie mediche, l’industria automobilistica e l’ingegneria aeronautica a trarre maggiore beneficio dai materiali intelligenti. Invece di integrare onerosamente funzioni ex post tramite circuiti di misura, di controllo e di regolazione, questi ambiti industriali saranno in grado di applicare, in maniera semplicissima e velocissima, gli smart materials per poter realizzare funzioni altrimenti estremamente complesse. Fattori in grado di promuovere questo sviluppo, prevedibile a breve e medio termine, saranno l’aumento della domanda di mercato con le sue aspettative crescenti in termini di funzionalità e l’uso efficace dei materiali intelligenti in termini di economia, risparmio di risorse ed energia. Contemporaneamente, la scoperta di nuovi materiali avverrà sempre più rapidamente. Simulazioni computerizzate sono in grado di individuare in modo mirato materiali con specifiche caratteristiche desiderate, e in un secondo tempo individuano i candidati più promettenti per testarli anche in pratica. Il tempo tra la scoperta e la maturità di mercato di un materiale innovativo si ridurrà così dai 20 anni originari ad un arco di tempo di solo 5 anni o meno tempo ancora.

E quali materiali intelligenti rendono ancora attualmente difficile la vita dei ricercatori?

I maggiori problemi nascono durante il trasferimento dei risultati trovati durante la ricerca industriale di base alla ricerca applicata, e non come spesso si pensa durante la finale implementazione della soluzione in fase di produzione prodotto. Un buon esempio in questo caso sono i materiali per le applicazioni medicinali. Sono materiali che, dati gli altissimi standard in termini di sicurezza e biocompatibilità richiesti in questo settore industriale, raggiungono solo lentamente la fase di maturità di mercato e dunque anche la normale produzione di serie. Anche i materiali a struttura nano, cioè i materiali le cui caratteristiche si definiscono in scala di un miliardesimo di metro, offrono numerose prospettive in termini di applicazione, ma non riescono spesso a svilupparsi oltre lo stadio della dimostrazione. Ciò comporta un rallentamento per il passaggio di questi materiali dalla fase di ricerca a quella di sviluppo. Oltre questo, la ricerca dei materiali a struttura nano spesso ignora la prospettiva olistica che servirebbe per colmare esistenti lacune tra la ricerca di base e la ricerca applicata. Già durante la fase di sviluppo dei materiali si dovrebbe dare più peso alla elaborazione successiva, tenendo soprattutto in mente le necessità dei costruttori e il successivo uso dei materiali nuovi. Presso la TU Dresden ci impegniamo fortemente nella promozione dello scambio di informazioni tra esperti appartenenti al mondo delle scienze naturali da una parte e ingegneristiche da un’altra, al fine di sensibilizzare il loro pensiero soprattutto in termini di esigenze tecnologiche.

Quale interazione vede tra la Industria 4.0, cioè la digitalizzazione dei processi di produzione, e l’applicazione dei materiali intelligenti?

L’Industria 4.0 si basa sulla digitalizzazione totale dei processi di produzione e soprattutto sul loro collegamento a sistemi intelligenti e digitalmente interconnessi. Il complessivo ciclo di vita dei prodotti, cioè dallo sviluppo alla produzione, dall’ uso alla manutenzione, fino al loro riciclaggio, deve essere effettuato tramite un automatico interscambio di informazioni tra le singole fasi. I processi digitali come la stampa tridimensionale di polimeri, ceramica oppure metalli, rientrano perfettamente in questo quadro generale, perché offrono un perfetto controllo dei singoli passi di produzione e un altissimo grado di individualizzazione e decentralizzazione della produzione. Per far ciò, la ricerca dei materiali e il loro sviluppo dovrà tenere il passo. Ciò significa che i dati sui materiali – sia per quanto riguarda le loro caratteristiche e funzionalità elementari nonché la loro storia – devono essere ad immediata disposizione durante tutto il ciclo di produzione e di vita dei prodotti, per poterli integrare direttamente nei rispettivi processi. Nel futuro saranno le intelligenze artificiali a ricercare nuovi materiali, i rispettivi dati e a estrarre e mettere a disposizione i dati rilevanti in materia da migliaia di pubblicazioni scientifiche. La visione ultima è che saranno le macchine a cercare autonomamente e di propria iniziativa materiali innovativi nel quadro delle cosi chiamate “unsupervised discoveries”. Il computer stesso verifica un grande numero di composti chimici, escludendo automaticamente tutte le soluzioni invalide, simulando le caratteristiche elementari del materiale e la sua integrazione nella fase di produzione e durante l’uso, fornendo dopo pochi minuti il materiale adatto insieme ad una guida esatta inerente la produzione ed elaborazione del nuovo materiale trovato.

 

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