Sono poche le tecniche che hanno dato contributi così profondi alla comprensione della materia come la diffrazione dei raggi X (X-Ray Diffraction o XRD). Si tratta di una tecnica analitica in costante evoluzione, che dà risposte fondamentali sulla struttura della materia, ma anche un supporto diretto a molteplici problematiche industriali. Dobbiamo alla diffrazione dei raggi X le nostre conoscenze sulla struttura interna di tutti i composti e materiali, anche di uso comune, come acciai e ceramici, e la distinzione tra polimorfi, ossia sostanze con stessa ‘chimica’ e diverso abito cristallino. Ad esempio, grafite e diamante, oltre alle forme del carbonio individuate di recente, come grafene e nanotubi; oppure austenite e ferrite negli acciai, ma anche vetro e quarzo, forme rispettivamente amorfa e cristallina della silice. La XRD ha dato contributi fondamentali anche in ambito biologico, ad esempio nello scoprire la struttura a doppia elica del DNA, ed è tutt’oggi la tecnica di riferimento per comprendere e sviluppare nuovi composti farmaceutici, nello studio di proteine e virus.
In parallelo al contributo fondamentale sulla struttura della materia, la diffrazione dei raggi X è utilizzata per svariate tecnologie e attività industriali. Tramite XRD si può identificare e quantificare la presenza di fasi cristalline, i ‘componenti’ di svariati materiali, o conoscere forma e dimensione dei cristalli che li compongono, oltre che la tipologia e densità di difetti, come la densità di dislocazioni introdotte dalla deformazione plastica di un metallo. Ancor più verso l’ambito tecnologico, la XRD permette di conoscere le autotensioni residue, in componenti meccanici o per l’elettronica, e l’orientazione o tessitura dei cristalli in rivestimenti e strati sottili, fibre o superfici variamente lavorate.
La XRD è disponibile a scala di laboratorio, ma anche presso le grandi facility di luce di sincrotrone, per ricerche di frontiera sui materiali, sulla chimica e fisica della materia. Sempre più richiesta a livello industriale, si calcola che oltre 2/3 delle strumentazioni per XRD siano collocati in aziende per attività di ricerca e sviluppo.
Nel nostro laboratorio disponiamo delle strumentazioni e delle competenze per svariate tipologie di misure di XRD. Attivo da oltre trent’anni presso l’Università di Trento, il laboratorio di diffrazione dei raggi X (XRDlab) del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica (DICAM) si occupa di diverse tematiche della ricerca scientifica e tecnologica sui materiali per l’ingegneria e per la fisica dello stato solido, con particolare enfasi a nanotecnologie e materiali per l’energia. Di seguito, alcuni esempi di impieghi della XRD presso XRDlab.
L’analisi dell’austenite residua in componenti d’acciaio è fondamentale per la realizzazione e il controllo di qualità di manufatti d’acciaio, ad esempio in ingranaggi ‘cementati’, ovvero con uno strato di diffusione del carbonio, che conferisce durezza e resistenza meccanica, ma che in taluni casi, per forte accumulo di questo polimorfo del ferro, può indurre frattura. Attraverso la XRD con un metodo sviluppato presso XRDlab, possiamo identificare e quantificare su base routinaria la presenza di austenite attraverso gli strati cementati fino a profondità di diversi millimetri.
A tale analisi si accompagna spesso quella delle tensioni residue, ovvero del sistema di sforzi autoequilibrati che permane a seguito di trattamenti meccanici o termici. Tali sforzi possono essere causa di rottura, ad esempio per fatica meccanica ciclica, come accade per sforzi di trazione indotti da taglio e/o saldature di componenti d’acciaio, ma anche avere effetti benefici, come gli sforzi di compressione introdotti da una ‘pallinatura’. Presso XRDlab è anche attivo un impianto di ‘shot-peening’ dedicato a ricerca e produzione di preserie industriali.
La XRD si adatta particolarmente bene allo studio di polveri e materiali disaggregati, quali cementi, svariate polveri metalliche e ceramiche, ma anche farmaci. Per esempio si può determinare la densità di difetti e la dimensione dei cristalliti (domini cristallini a scala nanometrica) in polveri ottenute per macinazione ad alta energia in mulini. È il caso di polveri di acciaio o di fluorite, oggetto di diversi studi e simulazioni, sia del processo di macinazione che della microstruttura prodotta; tramite questa tecnica determiniamo tipologia e contenuto di difetti, nonché dimensioni dei cristalliti raggiunte con la macinazione. Di recente abbiamo applicato macinazione e caratterizzazione mediante XRD a farmaci strategici ma poco solubili, come Efavirenz, utilizzato nella terapia contro l’HIV. Tramite questa ed altre tecniche abbiamo potuto dimostrare l‘attivazione meccanica del farmaco, che ha permesso di graduare (accelerare o rallentare) la cinetica dissolutiva nel mezzo biologico, oltre che incrementare l’efficacia stessa del principio attivo.
La XRD trova applicazioni nello sviluppo di materiali per l’energia. Tra i numerosi esempi, assorbitori ceramici in celle fotovoltaiche a film sottile, membrane ed elettroliti solidi per celle a combustibile, cementi speciali per edilizia e per accumulo termico, ma anche i più moderni catalizzatori metallici nanostrutturati. In questo ambito le tecniche XRD si saldano con quelle di modellazione a scala atomistica, in fase di costante sviluppo, come la Molecular Dynamics; ad esempio, per seguire la cinetica di immagazzinamento e rilascio di idrogeno in Palladio, o l’azione catalitica di nanocristalli dello stesso metallo.
XRDlab ha numerose collaborazioni con realtà industriali e con istituzioni pubbliche e private, supportate da una rete di contatti e progetti internazionali. Le ricerche condotte sono oggetto di pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali di elevato impatto. Tra i molti temi trattatti (dettagli nella Bibliografia), oltre quelli citati sopra - attivazione meccanica di farmaci mediante macinazione ad alta energia, materiali per l’energia, struttura e microstruttura di componenti meccanici e modellazioni atomistiche – spiccano gli studi sulle metodologie cristallografiche e gli impieghi dei raggi X, per i quali XRDlab è considerato un riferimento anche a scala internazionale.
