I vetri speciali: proprietà meccaniche e proprietà ottiche

E’ un luogo comune ritenere il vetro un materiale fragile la cui frattura può risultare anche pericolosa in virtù dei frammenti con bordi taglienti, anche di grandi dimensioni, che si possono produrre a seguito dell’ evento di rottura. Questa caratteristica ha generato la nascita del mito di “infrangibilità” che si può far risalire a testimonianze riscontrabili nella letteratura antica. Nonostante questa caratteristica meccanica critica, il vetro è oggi utilizzato in una enorme spettro di applicazioni, anche di notevole impatto strutturale, con potenziali conseguenze disastrose in caso di eventi di cedimento. Sono presentati esempi che vanno da applicazioni architettoniche strutturali, ad applicazioni in mezzi di trasporto terrestri, navali e aero-spaziali, fino ad arrivare alle più recenti applicazioni del vetro in dispositivi di consumer-electronics. Queste applicazioni sono rese possibili in virtù di scoperte tecnologiche in merito al rafforzamento meccanico del vetro databili nel secolo scorso come: la tempra termica, la tempra chimica per scambio ionico, l’accoppiamento di lastre di vetro con polimeri viscoelastici. Le radici di queste scoperte possono essere comunque ricondotte storicamente, in parte, a secoli passati e possono essere geograficamente tracciate da movimenti all’interno di paesi del bacino mediterraneo. Il salto che ha reso possibile lo sviluppo tecnologico risiede nell’approfondimento delle conoscenze scientifiche sul vetro. Oggi il vetro non è più considerato un materiale quanto uno “stato della materia”, estensibile ad una larga porzione di elementi e composti ottenibili a partire dalla tavola periodica degli elementi. Lo stesso concetto di “frattura fragile” così intuitivo quando valutato su scala macroscopica entra in crisi nella valutazione del comportamento meccanico del vetro su scala microscopica o nanometrica. Su questa scala si possono evidenziare fenomeni dissipativi di densificazione e scorrimento viscoso che indicano un comportamento di snervamento su scala nanometrica la cui comprensione profonda sfida sul piano fenomenologico la termodinamica dei processi irreversibili e sul piano della modellazione fisico-chimica modelli avanzati di Molecular Dynamics e di Machine Learning. La ragione principale per l’impiego del vetro è motivata dalle sue proprietà ottiche di trasparenza. L’interazione della radiazione elettromagnetica dalla più energetica radiazione gamma fino all’infrarosso termico sono un tema che va a declinarsi sulle più svariate applicazioni dalla sensoristica, all’architettura, ai mezzi di trasporto fino ad arrivare alla consumer-electronics e alla fotonica. Uno dei temi che hanno trovato un interesse di rilievo verso la fine del secolo scorso fino ad oggi è la possibilità di realizzare dispositivi in grado di modificare le loro caratteristiche ottiche (nella fattispecie la trasparenza) in virtù di fenomeni esterni quali impulsi elettrici, radiazione incidente, azioni meccaniche. L’interesse applicativo risiede nella possibilità di modificare la radiazione incidente rispetto a quella trasmessa o riflessa dalla superficie vetrata sia spettralmente che in termini di intensità che in termini di distribuzione geometrica. La maggior parte di questi dispositivi è realizzata attraverso l’applicazione di rivestimenti attivi sulla superficie del vetro o attraverso l’integrazione di dispositivi elettroottici all’interno della sezione costruttiva della vetrata. La moderna scienza dei materiali e i progressi della deposizione di film sottili e spessi hanno contribuito in maniera determinante alla realizzazione di questa classe di vetri noti come vetri cromogenici. In questo caso il vetro diventa il substrato ideale per l’integrazione dei sistemi attivi. Sullo stesso concetto di integrazione che utilizza il vetro come substrato vanno considerati i sistemi fotovoltaici trasparenti o semi-trasparenti. Anche qui abbiamo sistemi elettrochimici o ottici attivi che, interagendo con la radiazione solare, permettono la produzione di energia elettrica. Ancora una volta gli sviluppi della scienza dei materiali permettono di utilizzare il vetro in combinazione con altri elementi per ottenere funzionalità del tutto diverse da quelle originarie della lastra di vetro.

Host or Publisher Dipartimento di Fisica e Astronomia UNIPD