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Innovazione Tecnologica- Nuovi Materiali
Alida BellosiISTECISTEC--CNR, Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali CeramiciCNR, Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici
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Unione delle idee per un territorio Smart - 16-5-2013, Faenza
Sono innumerevoli le applicazioni dei nuovi materiali, e le mille facce di una Smart City possono contenerle tutte.
Grande attenzione verso ricerche in questo campo: materiali in grado di dare risposte concrete ai bisogni di nuovi modelli nello sviluppo locale ed urbano in particolare.
I programmi di trasformazione per un territorio “smart” sono radicali, legati agli ambiziosi obiettivi ambientali, energetici, economici
con le ricadute sociali e culturali.Nuovi materiali funzionalizzati: biomimetici, fotocatalitici, autopulenti,
idrofobici, etc.., entrano sul mercato dell’edilizia, dei trasporti, della salute
NUOVI MATERIALI NUOVI MATERIALI Chiave dellChiave dell’’innovazione per il benessere e crescita sostenibileinnovazione per il benessere e crescita sostenibile
Medicina e saluteMedicina e saluteEnergie rinnovabili e Tutela dellEnergie rinnovabili e Tutela dell’’ AmbienteAmbiente
Trasporto e aerospazioTrasporto e aerospazioIngegneria IndustrialeIngegneria Industriale
Costruzioni Costruzioni Restauro, Beni Restauro, Beni CultulraliCultulrali, Patrimonio artistico, Patrimonio artistico
Tecnologie prioritarie per l’Industria Italiana(AIRI Associazione Italiana per la Ricerca Industriale) (Libro: Le innovazioni del prossimo futuro TECNOLOGIE PRIORITARIE PER L’INDUSTRIA)
Trasporti (strada, ferrovia, mare)
ICT
Micronanoelettronica
Energia
ChimicaAeronautica
Agricoltura, Salute, & Bio
Settori
Key Enabling Technology (KET)Tecnologie abilitanti- chiavi della competitività europea
Fotonica
Biotech
Nanotech
Sistemi avanzatidi produzione
Micro nano elettronica
KET
OGNI KET TANTI SETTORI
TANTE KET RIUNITE PER L’INDUSTRIALIZZAZIONE
Tecn. pulite.
Sviluppo di prodotti innovativi per contribuire allarisoluzione delle sfide della società
NuoviNuovi MaterialiMateriali
1200°C
Es. di accenditore: La punta
raggiunge 1200°C in 8 secondi
Lavorazione in forme complesse
Ceramici Strutturali per ambienti severi
Componenti per applicazioni in temperature alte-ultra alte, fino a 2000°C
Strutturali per applicazioni aerospaziali
50 cm
UHTCs
Applicazioni: aerei ipersonici e rientro nello spazio.Bordi alari, coni di pruaComponenti propulsioneMateriali ultrarefrattari con altissima
temperatura di fusione (3000-4000°C): boruri e carburi di Zr e di Hf.
Prototipo di cono di prua
Prototipo di bordo alare
Energie alternativeCelle solari di terza generazione:DSCC
AAll22OO33glassglass
TiOTiO22
10µm
Con polveri a morfologiacomplessa prodotte per via
chimica…
…vengono realizzatistrati ceramici
altamente efficienti suvetri conduttori..
….su cui viene assorbito un colorante organico in grado dicatturare efficacemente i raggi
solari.
Queste celle solari si basano sul principi di fotoelettrochimica: producono energia elettrica convertendo energia luminosa in maniera simile alla fotosintesi clorofilliana. Queste celle sfruttano le particolari caratteristiche di coloranti e strati ceramici accoppiati per produrre energia elettrica.
Usando diversi coloranti per Usando diversi coloranti per ““catturarecatturare””diverse lunghezze ddiverse lunghezze d’’onda dello spettro solare onda dello spettro solare
che oltre ad essere piche oltre ad essere piùù efficienti rendono efficienti rendono possibile la realizzazione di vetrate colorate.possibile la realizzazione di vetrate colorate.
OSJ
1. Efficienza comparabile con il silicio amorfo (≈10%)
2. Facile integrazione con substrati rigidi o flessibili
3. Materiali di basso costo
Celle a combustibileLe celle a combustibile ad ossido solido (solid oxide fuel cells - SOFCs) sono dispositivi ad alta efficienza per la conversione diretta di energia chimica di un combustibile (Idrogeno e ossigeno) che reagisce con un comburente (aria) in lavoro elettrico (corrente) ad alta temperatura (500-900°C).
Possono anche lavorare al contrario: fornendo energia e alimentandole con vapore acqueo producono idrogeno e ossigeno. In questo caso vengono chiamati elettrolizzatori.
ISTEC si occupa di produrre le singole celle di dimensioni pre-competitive con metodi economici, affidabili e facilmente industrializzabili (colaggio su nastro e serigrafia)
Vantaggio: capacità di operare a temperatura più alta (1000°C e oltre), rispetto a materiali convenzionaliAumento dell’efficienza di produzione dell’energia
HfCCu2SMo3O-MoW
ideal selectiveabsorber
Comportamento ottico delle ceramicheProdotte presso ISTECPrototipo di assorbitore ceramico
Assorbitori solari selettivi
Applicazioni energetiche Ceramici Ultrarefrattari (UHTC)
Ce:YAG in sostituzione della matrice siliconica nei LED ceramici di nuova generazione.
Nuove sorgenti luminose a bassissimo consumo migliori prestazioni, durata, efficienza luminosa
Nuovi materiali Ceramici Trasparenti
Per dispositivi energetici: LED completamente ceramici
Data/Località del Meeting - Acronimo del Progetto - …Data/Località del Meeting - Acronimo del Progetto - …Il Tecnopolo della provincia di Ravenna, 27 Settembre, 2011
Applicazione Applicazione idid nuovi prodotti a ridotto consumo energetico e a basso nuovi prodotti a ridotto consumo energetico e a basso impattoimpatto nella nautica, nel Restauro e Riqualificazione degli Edificinella nautica, nel Restauro e Riqualificazione degli Edifici
Es: Compositi ultra-leggeri a base di fibre biosolubili
2 µm
Taglio
Foratura per trapanazione
lucidatura
Ceramici legati chimicamente a bassatemperatura. Isolanti prodotta con materiali di scarto da utilizzare in edilizia e dalle caratteristiche completamente ecologiche ed ecosostenibili. - Basso impatto ambientale ed eco-sostenibili- Idonei per riciclo ed inertizzazione scarti- Idrorepellenti- IgnifughiApplicazioni: -Pannelli per isolamento acustico o termico-leganti refrattari-dielettrici-cementi e rivestimenti.
idrorepellente
Pannelli per isolamento termicoPannelli per isolamento termicoRecupero di scarti industriali (80%) Recupero di scarti industriali (80%)
Pannelli compositi ultra-leggeri (<200 kg·m-3) a base di fibre (1 m2 ) per isolamento acustico e termico
Pannelli compositi con vermiculite espansa<1000 kg·m-3, resistenza alla flessione 3 MPa
Dispositivi intelligenti: sensori, attuatori, dispositivi intelligenti che si basano su Ceramici piezoelettrici
Attuatori, trasduttori, trasformatori, sensori
Sistemi per recupero di energia (Energy Harvesting)
2.2x109 2.4x109 2.6x109-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
Rea
l par
t of p
erm
eabi
lity
Frequency (Hz)
PZTN-CF10 PZTN-CF30 PZTN-CF20
PiezoelettricitPiezoelettricitàà: : capacità di alcuni materiali cristallini di manifestare una carica elettrica se sottoposti ad uno stress meccanico oppure di deformarsi se sottoposti ad un campo elettrico
Harvester per strutture civili:
v Inserito su strutture quali ponti e viadotti
v Finalizzato alla conversione di energia dal passaggio di automezzi
v Conversione di tipo impulsiva
Pedana Piezoelettrica:
v Converte energia dal movimento di persone
v Conversione di tipo pseudo-impulsiva
v Dimensioni modulo: 30x30x10cm
v Potenza erogabile a vuoto: 0,5-1W/modulo
MACRO-Energy Harvesting
“Piezo Tile”
Piastrella “intelligente” dotata di sensori alimentati da elementi piezoelettrici, utilizzabile anche come fonte di energia alternativa in zone molto frequentate
Modulo per piastrelle 60x60cm e 30x30cm
Applicazioni prevalentemente domotiche
Stradale
Sistema di recupero di energia per passaggi pedonali rialzati
Moto ondoso
Studio della possibilità di sfruttare il moto ondoso come fonte di energia meccanica
Navale
Applicazione di harvesters su scafi ed altri parti di imbarcazioni per l’alimentazione di piccoli dispositivi
Energy Harvesting – Recupero di energia
Un interruttore wireless per ambito civile o industriale elettricamente autosufficiente
La forza applicata sul tasto viene trasferita sul piezoelettrico il
quale “genera” sufficiente energia per alimentare un
trasmettitore wireless che, accoppiato ad un opportuno
ricevitore, abilita o meno l’alimentazione dei dispositivi ad esso
associati.
Applicazioni di riferimento:
v Impianti civili per ristrutturazioni
v Impianti domotici
v Macchine automatiche
v Telecomandi
Prototipo realizzato:
v Portata: 30m chiuso, 200m aperto
v Dimensioni harvester: 2x2x0,5cm
v Costo componenti piezo: <1€
Pulsante Piezoelettrico
NANOPARTICELLECampi di applicazione in
studio all’ISTEC
Superfici “smart”Idrofobicità, Idrofilicità, Oleofobicità, Fotocatalisi
EnergiaNano-fluidi,Dinamica dei fluidi
10 nm
TiO2
Ag0
Au0
SnO2
DecorazioneInchiostri, NanosospensioniSistemi bi-metallici
Applicazioni: costruzioni – trasporti – tessile - energia
Nanotecnologie in Ceramica
Sviluppo ed Sviluppo ed Ingegnerizzazione delle Ingegnerizzazione delle Superfici per il Superfici per il miglioramento delle miglioramento delle proprietproprietàà meccaniche e meccaniche e funzionalifunzionali•Materiali micro-nanostrutturatiper conferire a superfici varie (vetro, metallo, ceramica, compositi, polimeri) proprietà di• autopulenza, •anti-appannamento, •idrofobici o oleofibici, •catalitici, attraverso il deposito di film ceramici, organico-inorganico.Caratterizzazioni delle proprietàmeccaniche, fisiche e tribologichedi rivestimenti ceramici antiusura e anticorrosione applicati su materiali vari.
Repellenza all’acqua in condizioni statiche e dinamiche
Esempio:
Superfici superidrofobicheα
Settori di riferimento:Costruzioni Meccanica-trasporti-energeticaChimica
Edilizia: Prestazioni di self cleaningStrutture di rivestimento interne ed esterne (pareti ventilate, coperture, vetri, etc.)
Aereo spaziale: Materiali anti-ghiaccioParti strutturali e non (ad es. ali, vetri di aerei, superfici ceramiche protettive di shuttle) realizzate con materiali diversi
Altre superficiMetalli, gomma
Navale:Scafi di navi ad alta velocità di crociera
Trattato
Non trattato
Applicazioni di nanomateriali: costruzioni – trasporti - energiaRicadute e settori di applicazione di superfici idrofobiche
Risolve il problema della formazione di ghiaccio???Aerospazio Telecomunicazioni
Sistemi energie alternative
rivestitoAl 1050 non rivestito
Superfici superidrofiliche
Abbattimento di:üsostanze organiche e inorganicheüparticolato fineübatteriübenzene - xileneüetilbenzene - formaldeideütoluene
Applicazioni esterne su ceramica, vetri, alluminio, cemento, graniti, marmi e all’interno intonaci, laminati, ecc.
Tessuti ceramizzati con TiO2
Realizzazione di un rivestimento trasparente, stabile, uniformemente distribuito e fortemente attivo a base di TiO2
PRESERVA MANO, TRASPIRABILITA’, COLORE
Ceramizzazione di tessuti attraverso trattamento di finissaggio facilmenteindutsrializzabile
Rimozione dello sporco, permamenza del rivestimento dopo lavaggi in lavatrice
2
1
3
Applicazioni di nanotecnologie ceramiche: tessile
Il progetto ha vinto il consorso Start-Cup del CNR-Sole 24 ore del 2010.
BIOMATERIALIChirurgia
OrtopedicaNeuro
ChirurgiaChirurgia
Maxillo-Facciale
Nuove terapie personalizzate
Realizzazione del Modello 3D del CRANIO con difetto da dati TAC
Rigenerazione porzione di TIBIA
Rigrenerazionedi condilo mandibolare
Compositi ibridi Ceramico-polimero
3 mesi
6 mesi
Inserimentodel dispostivo
Composito bioibridoCeramico (HA)/Collagene
Rigenerazione osso-cartilagineosso
cartilagine
Cartilagine naturale
Cartilagine sintetica
Osso sub-condrale
Osso/cartilagine
Osso Naturale Rattan
Rattan Impianto in difetto critico del metatarso di pecora
Premio Speciale della Svizzera a “ Premio Nazionale Innovatione” Torino, 2011
2µm
(C-Troponin, 40×)
Cardiomyocytes seeding
Shor
teni
ng(%
)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
BASE 4 WEEKS 8 WEEKS 10 WEEKS
IMAMEMMEM+CELLS
Ecocardiografie post-impianto
Membrane cardiache
1.5 mm
LIGAMENTI
TENDINI
Blend polimerici collageno+alginato+elatina
Cellula cardiaca
EC cardiaco- ripristino funzionalità
Collageno+cellulosa+elastina
Fissaggio Magnetico
ØRigenerazione ossea e cartilaginea
ØTerapia Antitumorale ( ipertermia)
ØDiagnosi precoce del Tumore (concentra microRNA (acido ribonucleico) e Proteine –facilita rilevazione tumore)
Originalità lavoro ISTEC: assenza totale di tossicità nelle nanoparticelle magnetiche
0.3 cm
Protesi strutturali di nuova generazione
mano
ginocchio
gomito
Scultura in MAJOLICA APPLICAZIONE DIMETODOLOGIE INTEGRATE PER L’ANALISI E IL RESTAURO
Terracotta Decorativa : Studio materiali, cause di degrado, interventi di conservazione e restauro
Sviluppo di prodotti per il restauro e di nuove tecnologie diconservazione del patrimonio culturale
Caratterizzazione e conservazioneDei materiali negli edifici storici
Nanotecnologie applicate al restauro
CONSERVAZIONE E RESTAURO DI BENI CULTURALI
