Roberto Fieschi
Tutti i prodotti del lavoro umano che siamo abituati a usare o a conoscere, dalle posate all’automobile, dal televisore al telefono cellulare e al computer che sto usando, e tutte le costruzioni, dalla casa alla diga, basano le loro proprietà e il loro funzionamento sulle caratteristiche dei materiali di cui sono fatti. Solo una piccola parte dei materiali impiegati oggi era conosciuta duecento anni fa. E, andando sempre più indietro nel tempo, il numero si restringe ancora, fino ad arrivare ai nostri lontani progenitori, quando i materiali usati non erano più di quattro: legno, pietra, pelle e osso. Dunque, per oltre un milione di anni, per tutto il periodo della Preistoria chiamato Paleolitico (età della pietra antica), lo sviluppo delle tecniche umane era limitato dalla possibilità di padroneggiare solo quattro tipi di materiale.
Solo negli ultimi seimila anni si è avuto lo sviluppo che gradualmente ci ha portato alla varietà e alla complessità dei materiali oggi in uso, e solo nell’ultimo secolo o poco più, infine, questa evoluzione si è avviata su strade più sicure perché guidata da solide conoscenze scientifiche.
La capacità dell’uomo di inventare e utilizzare materiali nuovi, o di migliorare le caratteristiche dei materiali già conosciuti, ha permesso di soddisfare nuove e crescenti esigenze di vita più confortevole, di trasporto più rapido e sicuro, di comunicazioni su lunghe distanze, di cultura e di svago. Anche l’arte militare è stata fortemente influenzata dallo sviluppo di materiali capaci di dare migliori prestazioni. Quasi tutti i materiali usati dall’uomo, dal legno delle prime clave al bronzo delle prime spade, alle leghe d’acciaio dei cannoni e ai nuovi esplosivi per i quali tali leghe furono preparate, all’uranio e al plutonio delle bombe atomiche, furono impiegati, presto o tardi a fini bellici. Dai trionfi militari delle popolazioni Ittite e Assire, che per prime lavorarono il ferro e che fondarono i grandi imperi rispettivamente in Anatolia e nella Mezzaluna Fertile, alle esplosioni di Hiroshima e Nagasaki, sono passati oltre tremila anni; durante questo lungo periodo il possesso delle migliori tecniche per ottenere nuovi materiali, insieme alla potenza economica, fu in genere dalla parte del vincitore.
Quanta importanza i popoli dessero alla lavorazione dei materiali per sostenere la loro politica di dominio è testimoniato da questo passo della Bibbia, tratto dal primo libro di Samuele: “Ora, in Israele non si trovava un fabbro ferraio in nessun luogo, perché i Filistei avevano deciso: Non accada che gli Ebrei riescano a farsi spade e lance. Così ogni ebreo era costretto a scendere presso i Filistei per farsi arrotare chi il vomere o la zappa, chi la scure o la falce. Il prezzo imposto era di un pim per il vomere o la zappa, di un terzo di siclo per la scure o per raddrizzare il pungolo. Accadde così che nel giorno della battaglia nessuno della gente di Saul e Gionata suo figlio avesse a disposizione una spada o una lancia. Solo se ne trovò per Saul e Gionata”.
Siamo in Palestina, poco prima del 1000 a.C.. Quella volta, nonostante l’inferiorità tecnica, gli Ebrei ebbero la meglio, con l’aiuto di Dio, dice la Bibbia, ma anche grazie a una grande partecipazione del popolo ebraico alla battaglia. Anche oggi sappiamo (Vietnam) che un popolo unito può molto contro una tecnologia militare ben sviluppata.
Ai materiali è stata data un’importanza tale nello studio dello sviluppo dell’umanità che i primi periodi sono stati caratterizzati col nome del materiale che via via si imparava a padroneggiare: età della pietra, del bronzo, del ferro. La suddivisione tradizionale è stata proposta dal danese C. J. Thomsen nel 1836. Oggi si potrebbe parlare di età dell’acciaio, del cemento, delle materie plastiche, del silicio, delle biotecnologie, delle nanostrutture.
Fino al secolo scorso, e ancora oltre per certi tipi di materiali, gli sviluppi erano prevalentemente guidati dalle esperienze empiriche, così come avvenne nella preistoria per la ceramica, il vetro, i metalli. Nel Medioevo lo sviluppo delle tecniche empiriche per merito di abili artigiani era affiancato da ricette fantasiose. Nell’XI secolo il monaco benedettino Teofilo che si interessava delle attività artigianali così prescriveva come ottenere una buona tempra: “Prendi un caprone di tre anni e tienilo legato per tre giorni al chiuso senza alimentarlo; al quarto giorno dagli da mangiare felci e nient’altro. Quando ne avrà mangiato per due giorni, mettilo la notte seguente in una botte con il fondo forato; sotto questi fori metti un altro recipiente non forato, nel quale tu possa raccogliere la sua orina. Quando in tal modo per due o tre notti ne avrai raccolta una quantità sufficiente, tira fuori il caprone e tempra i tuoi utensili nell’orina suddetta. Gli utensili si possono temprare anche nell’orina di un bambino rosso di capelli, e diventano più duri che temprandoli nell’acqua pura”.
La siderurgia fece grandi progressi nel Settecento e più ancora nell’Ottocento; nello stesso periodo la chimica scopriva nuovi elementi, metalli in particolare, e nuovi composti, rendendoli disponibili per varie applicazioni tecniche. Parallelamente, a partire dall’inizio dell’Ottocento, vedeva i suoi primi sviluppi la teoria atomica sulla struttura della materia, a partire dai lavori del 1808 di Joseph-Louis Proust (Angers, 1754 – 1826), di Amedeo Avogadro (Torino,1776 – 1856) e di John Dalton (Eaglesfield, 1766 – Manchester, 1844); sua la definizione: “Un atomo è la più piccola parte di un elemento che mantiene le caratteristiche fisiche di quell’elemento”. A Ernest Rutherford si deve il modello planetario dell’atomo (1911), a Niels Bohr l’interpretazione delle sue proprietà nel quadro della vecchia meccanica quantistica (1913).
Ma la prova sperimentale della struttura atomica della materia venne dalla esperienza di diffrazione X condotta da Max Theodor Felix von Laue (Pfaffendorf, 1879 – Berlino, 1960) e dai suoi giovani collaboratori W. Friedrich e P. Knipping nel 1912, e successivamente dagli studi di Sir William Lawrence Bragg. Con le applicazioni della meccanica quantistica e della meccanica statistica , a partire dal 1928, e con l’impiego di strumentazioni nuove o migliorate, le proprietà dei solidi – ottiche, elettriche, magnetiche, meccaniche – trovarono il loro inquadramento e l’interpretazione soddisfacente.
Su questa base concettuale solida, e grazie al contributo essenziale della chimica, si poterono realizzare materiali nuovi, o materiali tradizionali, ma con proprietà avanzate, e dispositivi che hanno rivoluzionato il nostro modo di vivere e di produrre. Per fare l’esempio più noto, pensiamo ai semiconduttori e ai molti dispositivi che su di essi si basano, dai semplici raddrizzatori, ai LED, ai circuiti integrati. In questi, i continui progressi nella miniaturizzazione hanno portato ad aumentare il numero di transistor per centimetro quadro dai mille del 1970 al milione del 1990 e ai 90 milioni del 2010.
Quando mi sono laureato, e ancora per parecchi anni, non si parlava esplicitamente di scienza dei materiali. Naturalmente i materiali venivano studiati, e nuovi materiali, con proprietà più avanzate o ottenuti con nuovi processi, venivano realizzati. Gradualmente la scienza dei materiali assunse un ruolo abbastanza autonomo, così che oggi nel mondo esistono istituzioni, universitarie e non, ad essa dedicate. La Materials Science è oggi un settore ormai ben consolidato. Per sua natura la scienza dei materiali è un campo di studi interdisciplinare nel quale le due componenti, la fisica e la chimica, sono fortemente connesse.
Questo l’avevo capito, insieme al mio collega e amico Andrea Levialdi, quando, insieme, all’inizio degli anni Settanta, abbiamo dato vita a Parma all’Istituto MASPEC (ora IMEM) del CNR, nel quale abbiamo assunto sia fisici, sia chimici; era forse la prima esperienza di questo genere in Italia: MASPEC sta appunto per Materiali Speciali Per Elettronica e Magnetismo. E’ stata un’esperienza davvero interessante; fisici e chimici hanno poi collaborato costruttivamente, e questa prima esperienza, che ha portato a compenetrare le due culture, le due anime diverse, si è dimostrata efficace e positiva. Qualche decennio fa, forse anche per questo, l’Università di Lecce mi ha conferito la laurea in Ingegneria dei materiali.
Gli sviluppi recenti hanno portato all’apertura dell’ampio campo che rientra nel termine generale di “nanotecnologie”. Il termine indica il ramo della scienza applicata che si occupa del controllo e della manipolazione della materia a livello atomico e molecolare, su dimensioni dell’ordine di pochi passi reticolari e della progettazione e realizzazione di dispositivi in tale scala. Le sue applicazioni non riguardano solo la scienza dei materiali, ma si estendono all’elettronica, all’ingegneria meccanica e, in parte, ad altre discipline.
Il Dipartimento di fisica dell’Università di Modena-Reggio svolge importanti ricerche nel settore delle nanotecnologie.