Stampa 3D | Cosa sono i materiali amorfi?

Cosa sono i materiali amorfi?

Cominciamo la nostra serie di articoli parlando di una categoria di materiali che ci circondano, ma di cui si sente parlare relativamente poco: i materiali amorfi. I principali esponenti della categoria sono il vetro e molte delle più comuni plastiche, ma non sono i soli; ad esempio sono amorfe alcune leghe metalliche ad alte prestazioni.

Naturalmente, la categoria che ci interessa oggi è quella dei polimeri, ma i ragionamenti che faremo sono del tutto generali.

Cosa significa amorfo?

Il termine amorfo deriva dal greco, e significa letteralmente privo di forma. Questo non significa ovviamente che i nostri materiali non abbiano forma (non guardate preoccupati il lampadario o la finestra, non si dissolveranno); significa però che non presentano una struttura cristallina ordinata.

Possiamo infatti dividere tutti i materiali solidi in due categorie (con qualche sfumatura):

  • Solidi cristallini
  • Solidi amorfi

La differenza fondamentale è che mentre per i primi è possibile individuare un “frammento” di struttura detto cella elementare che, ripetuto nello spazio, permette di ricostruire tutta la struttura del solido, per un materiale amorfo questo livello di ordine non esiste. L’immagine sotto dovrebbe chiarire il concetto:

È importante chiarire una cosa: un materiale identico dal punto di vista della composizione può presentarsi cristallino, amorfo, o un misto dei due stati (come accade per molti polimeri). Un esempio pratico della cosa è il caro vecchio vetro, amorfo, che in forma cristallina chiamiamo silice.

Ok, ma cosa cambia?

Tutto! Le proprietà dei solidi dipendo strettamente dalla loro struttura! In generale possiamo dire che i materiali amorfi:

  • Sono dei liquidi super – raffreddati
  • Sono metastabili
  • Possono diventare cristallini
  • Non fondono, rammolliscono
  • Sono solitamente isotropi
  • Sono più duri della forma cristallina
  • Sono più fragili della forma cristallina
  • Sono meno reattivi della forma cristallina

Non spaventatevi per i termini tecnici! Sono tutti spiegati nelle prossime righe.

Le proprietà che ci interessano parlando di polimeri per la stampa 3D sono essenzialmente le prime tre; tutte comunque derivano dalla struttura disordinata del solido. Vediamo perché.

Proprietà termodinamiche

Cominciamo dicendo che possiamo pensare ad un materiale amorfo come ad un liquido che è stato raffreddato così rapidamente da essersi solidificato senza aver avuto il tempo di formare cristalli; in pratica le molecole si sono incastrate l’un l’altra senza riuscire ad ordinarsi, e sono rimaste bloccate nella situazione disordinata che avevano assunto a temperature più alte.

Questa situazione non è mai la preferita di nessun materiale, dato che tutti tentano sempre di assumere una struttura cristallina; per questo definiamo gli amorfi come fasi metastabili, cioè dei materiali che preferirebbero assumere altre forme, se solo potessero. Il motivo per cui non lo fanno è che per compiere la trasformazione sono richiesti tempi estremamente lunghi, talmente lunghi da rendere di fatto impossibile il processo.

Se li si riscalda, però, si fornisce loro l’energia sufficiente per sbloccare le molecole. A questo punto possono accadere due cose:

  • Il materiale rammollisce fino a tornare liquido (come i nostri polimeri)
  • Il materiale cristallizza senza diventare fluido

Quale dei due casi si verifichi dipende dal parametro fondamentale per tutti i materiali amorfi: la temperatura di transizione vetrosa. Se riscaldiamo al di sopra di questa temperatura il materiale liquefa, altrimenti può cristallizzare direttamente da solido. Con i nostri polimeri da stampa 3D ci troviamo sempre nel primo caso.

Ciò che è importante ricordare è che un amorfo non fonde mai! Per fusione si intende il passaggio da solido a liquido, che avviene ad una temperatura ben precisa, la temperatura di fusione. I nostri materiali amorfi, invece, sono già liquidi estremamente viscosi. Aumentando la temperatura non fanno altro che scorrere più velocemente.

Non preoccupatevi comunque: le vostre finestre non scorreranno via, a meno che non le portiate sopra gli 800°C!

Proprietà meccaniche

Il fatto che la struttura sia disordinata rende i materiali amorfi isotropi; questo significa che i materiali amorfi hanno identiche proprietà fisiche in qualsiasi direzione dello spazio. Non accade lo stesso per i materiali cristallini. Pensate ad esempio ad un blocco di ghiaccio: se lo si colpisce con forza in varie direzioni, ci si accorge che in alcuni casi si rompe più facilmente che in altri.

Il disordine rende inoltre la struttura più rigida rispetto a quella cristallina, e quindi più dura e fragile. Questo può essere un bene in determinati casi, ad esempio per superleghe metalliche estremamente dure, mentre in altri è un problema (sappiamo tutti cosa succede quando cade un bicchiere, no?).

Infine, la minore reattività è dovuta all’assenza di difetti tipici dei materiali cristallini, detti bordi grano, delle microscopiche fessure che si trovano tra un cristallo e l’altro e facilitano l’attacco di agenti aggressivi. Un materiale amorfo non ha cristalli, quindi non presenta questi difetti; comunque questo vantaggio è molto maggiore per i materiali metallici, mentre per i nostri polimeri è tranquillamente trascurabile.

Sorpresa!

Ora che sapete tutto degli amorfi, devo farvi una confessione: i polimeri che utilizziamo per la stampa nella maggior parte dei casi non lo sono! Spessissimo infatti i polimeri sono parzialmente amorfi e parzialmente cristallini; il rapporto tra le quantità delle due fasi è detto grado di cristallinità.

Di questo però parleremo nel prossimo articolo.

 

PS: se vi interessa tutta la serie di articoli sulla chimica della stampa 3D, andate a questo link!