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La Scienza dei Materiali si presenta

Che cos’è la Scienza dei Materiali ?

La Scienza dei Materiali è la disciplina, a cavallo tra fisica e chimica, che si dedica alla progettazione, sintesi e caratterizzazione funzionale di materiali solidi (cristallini, vetrosi, polimerici), in vista del loro impiego in applicazioni quali microelettronica, metallurgia, telecomunicazioni, produzione ed immagazzinamento di energia, e molte altre ancora.

Scienza dei materiali : la storia

Quale è la più rivoluzionaria scoperta scientifica del XX secolo? Provate a porre questa domanda e, a seconda dell’interlocutore, otterrete risposte assai diverse tra loro: la penicillina, l’energia nucleare, la televisione, la clonazione, il computer, ecc.. Se però guardiamo alla vita di tutti i giorni, a quegli oggetti che nel tempo hanno progressivamente cambiato il nostro modo di esistere ma anche di pensare, nonché le nostre abitudini e comportamenti, scopriremo che molti di essi possono essere ricondotti a un paio di scoperte relativamente recenti la cui natura e funzione erano semplicemente inimmaginabili all'inizio del '900: il transistor e le materie plastiche. Provate a pensare a un mondo senza plastica e a quanti oggetti di uso comune sono oggi fatti di questo materiale. D’altra parte, il nostro modo di lavorare e di comunicare sono stati letteralmente rivoluzionati dalla nascita del transistor. Da quando circa 50 anni fa Schockley, Bardeen e Brattain, tre ricercatori dei Bell Telephone Laboratories, scoprirono questo dispositivo basato su un materiale semiconduttore si è aperta per l’umanità una nuova era, quella dell’elettronica, di cui solo oggi cominciamo ad apprezzare pienamente la portata. Ci si rende conto allora di come la storia dell’umanità sia stata spesso condizionata dalla scoperta e dall’uso di materiali sino ad allora sconosciuti. In larga misura i grandi balzi nella evoluzione sociale dell’uomo sono legati all’introduzione di nuove tecnologie di lavorazione di materie prime. Quando circa 2000 anni A.C. ci si è impadroniti della tecnologia per la lavorazione dei metalli l’uomo è passato dalla lunga fase dell'età della pietra a quelle del rame e del bronzo prima e del ferro poi. Se queste sono le grandi ere che hanno cadenzato il passo della preistoria e delle prime fasi della storia dell’umanità, non da meno lo sono state scoperte relative alla produzione di materiali come le ceramiche, le fibre tessili, la carta. Spesso per passare da una tecnologia a un’altra sono stati necessari secoli e a volte millenni. Ad esempio, soltanto agli inizi del 1700 Friedrich Böttger, un alchimista al servizio del re Augusto II di Sassonia con il compito di tramutare i metalli in oro, riuscì a fare la fortuna del suo sovrano scoprendo la tecnica, nota in Cina sin dal VI secolo dopo Cristo, per produrre la porcellana dando così inizio alla fortunata tradizione delle manifatture reali di Meissen.

I progressi nell’uso di nuovi materiali sono stati spesso lenti e sporadici e nel secolo della rivoluzione industriale largamente legati all’uso di leghe e materiali metallici (con l'importante eccezione dei cementi idraulici introdotti in Inghilterra nella prima metà dell'800). Mai come nel XX secolo però l’evoluzione nel campo della produzione e dell’uso di nuovi materiali ha assunto ritmi e dimensioni mai visti in precedenza. Esiste oggi una relazione molto stretta tra crescita economica e progresso nella scienza dei materiali. E’ stato stimato che nei paesi ad economia avanzata l'attività nel campo dei materiali innovativi (includendo quelli elettronici, magnetici, ottici, per usi energetici, catalitici e ambientali) contribuisce in modo diretto o indiretto tramite prodotti o processi a formare circa il 30-40% del prodotto interno lordo. La domanda in continua crescita da parte dell’industria di materiali con proprietà ben definite spinge i ricercatori a migliorare le caratteristiche di sistemi noti, a scoprire materiali nuovi o loro fasi, nonché nuove tecniche di preparazione e di caratterizzazione, in un approccio integrato in cui competenze diverse di tipo chimico, fisico e ingegneristico si completano e si arricchiscono a vicenda.

Nonostante l'indubbio impatto a livello economico e industriale, il ruolo della ricerca nel campo di materiali innovativi è spesso poco recepito. Eppure oggi non c’è casa in cui la ricerca nel campo dei materiali avanzati, anche senza contare polimeri e materie plastiche, non si sia tradotta in almeno un apparecchio di uso comune: televisore, fax, telefono cellulare, personal computer. Ognuno di questi oggetti è un vero e proprio concentrato di tecnologia chimica e fisica dello stato solido.

La progettazione di nuovi materiali passa inevitabilmente per la comprensione di come funzionano quelli che usiamo già e molta ricerca è rivolta allo sviluppo di teorie avanzate per spiegare questo o quel fenomeno. Questa sintesi tra comprensione delle relazioni esistenti tra proprietà e struttura e progettazione di nuovi materiali è la base della moderna scienza dei materiali. Ad essa è affidata gran parte delle innovazioni tecnologiche con cui avremo a che fare nel prossimo futuro.

La Scienza dei materiali nelle università italiane

L'inserimento della Scienza dei materiali nell'offerta didattica delle università italiane è un fatto relativamente recente, che ha colmato una grave lacuna rispetto alla situazione esistente da più di mezzo secolo nella maggior parte delle università europee, americane e giapponesi. Infatti la Scienza dei materiali copre uno spazio culturale e tecnologico di primaria importanza a cavallo della fisica e della chimica. L'aspetto scientifico di base riguarda argomenti della fisica della materia e della chimica dello stato solido che sono tra loro indissolubilmente legati nella visione moderna, e che da questa concezione interdisciplinare hanno tratto l'impulso vigoroso alle scoperte ed innovazioni degli ultimi anni. Le ricadute tecnologiche spaziano dai semiconduttori ai materiali polimerici, dai vetri per la fotonica alle leghe metalliche e alle ceramiche avanzate, e costituiscono la base per un possibile sviluppo industriale dell'Italia che mantenga il collegamento con le nazioni di punta a livello mondiale.

I corsi di laurea in Scienza dei materiali sono attivati attualmente (a.a. 2012-13) in nove sedi universitarie. In una parte di esse sono inseriti nella classe delle lauree in "Scienze e tecnologie chimiche", nelle altre nella classe delle lauree in "Scienze e tecnologie fisiche". Ciò significa che, nel primo caso, i laureati in Scienza dei materiali sono equiparati a tutti gli effetti ai laureati in Chimica, e nel secondo ai laureati in Fisica. Tuttavia dal punto di vista sostanziale le differenze tra i curricula didattici offerti dai due gruppi di università sono molto piccole: infatti in media il percorso formativo delle lauree in Scienza dei materiali è costituito da circa il 17% di crediti in insegnamenti dell'area matematico-informatica, il 41% in insegnamenti dell'area chimica e il 42% in insegnamenti dell'area fisica, con scostamenti assai ridotti da questi valori nelle singole sedi. Si tratta quindi di un percorso formativo fortemente interdisciplinare tra la fisica e la chimica, con un buon supporto matematico di base. Gli aspetti più coltivati della fisica e della chimica sono naturalmente quelli, relativi alle proprietà della materia e dello stato solido in particolare, che costituiscono il fondamento scientifico per comprendere il comportamento e le applicazioni tecnologiche dei materiali.

Un altro aspetto di fondamentale importanza, che caratterizza i corsi di laurea in Scienza dei materiali di tutte le sedi universitarie, è l'attenzione verso gli aspetti applicativi in campo industriale e produttivo. Essa si manifesta, in particolare, nel fatto che sono generalmente presenti curricula applicativi comprendenti stages o tirocini presso aziende o enti di ricerca all'interno del percorso formativo. Questo tipo di attività è finalizzato a fornire per tempo allo studente una conoscenza diretta del mondo del lavoro, e viceversa a mettere in contatto al più presto le aziende attive nel settore dei materiali con le nuove competenze acquisite dagli studenti universitari, in modo che questi possano essere presi in considerazione per possibili future assunzioni.