tecnologie e saperi tra università e impresa
Numero 18 | Anno 8 | MARZO 2018

Il dispositivo brevettato. Foto archivio Università di Trento.

BREVETTI

UN’INVENZIONE PER TESTARE NANOMATERIALI

Brevettato un dispositivo per determinare le proprietà meccaniche di nanomateriali. Una ricerca congiunta UniTrento – FBK

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di Nicola Pugno e Maria F. Pantano
Nicola Pugno è professore ordinario del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica dell’Università di Trento. Maria F. Pantano è ricercatrice del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica dell’Università di Trento.
Tra vantaggi di un possibile sfruttamento industriale c’è la capacità di analizzare le caratteristiche elastiche e plastiche del nanomateriale con un sistema semplice, poco costoso e compatibile con un microscopio per poter osservare il campione durante il test.

È stata depositata una nuova domanda di brevetto italiano da parte dell’Università di Trento, frutto di un’attività di ricerca congiunta con la Fondazione Bruno Kessler (FBK). Il brevetto riguarda un dispositivo e un metodo per determinare le proprietà meccaniche di nanomateriali e nasce da una collaborazione fra il Laboratory of Bio-Inspired & Graphene Nanomechanics dell’Ateneo e il Centro Materiali e Microsistemi di FBK. Gli inventori sono tre: oltre a noi c’è infatti il dottor Giorgio Speranza, ricercatore in FBK. L’attività del Laboratory of Bio-Inspired & Graphene Nanomechanics si focalizza su concetti e temi di ricerca di frontiera nel campo della nanomeccanica dei materiali e delle strutture, studiando fenomeni che avvengono alla scala del nanometro (un miliardesimo di metro). 

L’invenzione di questo brevetto si riferisce a un innovativo setup per eseguire prove di trazione su nanomateriali come microfibre, film ultrasottili, inclusi strati monoatomici tra cui il grafene. L’idea alla base di questo nuovo dispositivo è molto semplice: prevede l’utilizzo di un attuatore (per applicare forze/spostamenti) e di un sensore (per misurare una forza), fra i quali è posizionato il campione da testare. Azionando l’attuatore, viene applicato uno spostamento all’estremità del campione ad esso vincolato. Tale spostamento causa una deformazione del campione stesso e anche uno spostamento del sensore, che è collegato dalla parte opposta. Monitorando tramite un microscopio ottico lo spostamento delle estremità del campione soggetto a trazione, è possibile ricavarne le principali proprietà meccaniche, come la massima forza da esso sostenibile e la capacità di allungarsi prima della rottura.

La novità principale di questa configurazione di prova risiede nel modo in cui il provino è posizionato fra attuatore e sensore. Infatti, il campione da analizzare, che può trovarsi nella forma di microfibra o film sottile, è depositato su un substrato provvisto di un intaglio sulla superficie inferiore. Durante la fase di preparazione della prova, il substrato è incollato da una parte al sensore e dall’altra all’attuatore. Quindi, esso viene inciso con una punta sottile, in modo che possa rompersi in due parti in corrispondenza dell’intaglio, così da consentire un movimento relativo fra attuatore e sensore. È possibile evitare movimenti del substrato che potrebbero compromettere l’integrità del campione attraverso l’uso di un’apposita morsa durante la fase di incisione. La possibilità di avere un campione inizialmente depositato su un substrato consente di superare le difficoltà legate alla manipolazione di campioni di dimensioni molto ridotte, come microfibre (con diametro inferiore ai 10 micrometri) o film ultrasottili (con spessore inferiore al micrometro). D’altra parte, per la piena riuscita dell’esperimento, occorre che il campione sia vincolato al substrato alle due estremità (poste a cavallo dell’intaglio) e possa invece scivolare nella restante area, così da potersi deformare durante la prova di trazione. Il dispositivo così pensato è stato realizzato in forma di prototipo e utilizzato per la caratterizzazione meccanica di microfibre (diametro di 18 μm) e nanofilm (spessore di 800 nm) di alluminio. È attualmente in corso una sperimentazione su film ultrasottili a base di grafene, che potrà essere ulteriormente estesa ad altri nanomateriali innovativi al passo con i progressi scientifici e tecnologici.
 
Infatti, il dispositivo è versatile e può essere utilizzato per la caratterizzazione meccanica di molteplici micro/nanomateriali verso i quali si registra oggi un crescente interesse a livello mondiale, spinto dal desiderio di realizzare nuovi materiali dotati di straordinarie proprietà, che potranno essere implementati nella prossima generazione di dispositivi elettronici multi-funzionali. Fra questi materiali si annoverano sicuramente quelli costituiti da un singolo stato di atomi, di cui il grafene è solo un esempio. Per utilizzare al meglio l’enorme potenziale di questi nanomateriali è necessario avere una profonda conoscenza del loro comportamento meccanico. Questo è, dunque, lo scenario all’interno del quale si colloca questa invenzione, che propone un nuovo setup di prova che risponde alle specifiche esigenze richieste dalla manipolazione di componenti con dimensioni molto piccole. 
In un’ottica di possibile sfruttamento industriale, sono molti i vantaggi offerti da questo nuovo dispositivo. Tra questi vi è la possibilità di determinare le proprietà elastiche, ed eventualmente plastiche, del nanomateriale di interesse mediante un setup semplice, che non richiede apparecchiature costose e particolarmente sofisticate. Le dimensioni del dispositivo di prova sono macroscopiche e consentono, quindi, facilità di operazione e, infine, la compatibilità del sistema con un microscopio, che permette di osservare in tempo reale il campione durante il test meccanico.