La matematica fuzzy nell'ingegneria dei materiali. Applicazioni alla durevolezza e alla conservazione dei materiali in opera nei siti archeologici

La ricerca presentata è un’ampia esplorazione delle possibili applicazioni di concetti, metodi e procedure della Fuzzy Logic all’Ingegneria dei Materiali. Tale nuovo approccio è giustificato dalla inadeguatezza dei risultati conseguiti con i soli metodi tradizionali riguardo alla reologia ed alla durabilità, all’utilizzo di dati di laboratorio nella progettazione e alla necessità di usare un linguaggio (informatizzabile) che consenta una valutazione congiunta degli aspetti tecnici, culturali, economici, paesaggistici della progettazione. – In particolare, la Fuzzy Logic permette di affrontare in modo razionale l’aleatorietà delle variabili e dei dati che, nel settore specifico dei materiali in opera nel costruito dei Beni Culturali, non possono essere trattati con i metodi statistici ordinari. – La scelta di concentrare l’attenzione su materiali e strutture in opera in siti archeologici discende non solo dall’interesse culturale ed economico connesso ai sempre più numerosi interventi in questo nuovo settore di pertinenza dell’Ingegneria dei Materiali, ma anche dal fatto che, in tali contesti, i termini della rappresentatività dei campionamenti, della complessità delle interazioni tra le variabili (fisiche e non), del tempo e quindi della durabilità sono evidenti ed esasperati. – Nell’ambito di questa ricerca si è anche condotto un ampio lavoro sperimentale di laboratorio per l’acquisizione dei dati utilizzati nelle procedure di modellazione fuzzy (fuzzy modeling). In tali situazioni si è operato secondo protocolli sperimentali standard: acquisizione della composizione mineralogica tramite diffrazione di raggi X (XRD), definizione della tessitura microstrutturale con osservazioni microscopiche (OM, SEM) e porosimetria tramite intrusione forzata di mercurio (MIP), determinazioni fisiche quali la velocità di propagazione degli ultrasuoni e rotoviscosimetria, misure tecnologiche di resistenza meccanica a compressione uniassiale, lavorabilità, ecc. – Nell’elaborazione dei dati e nella modellazione in termini fuzzy, la ricerca è articolata su tre livelli: a. quello dei singoli fenomeni chimico-fisici, di natura complessa, che non hanno trovato, a tutt’oggi, una trattazione soddisfacente e di generale consenso; le applicazioni riguardano la reologia delle dispersioni ad alto tenore di solido in acqua (calci, cementi, malte, calcestruzzi SCC), la correlazione della resistenza a compressione, la gelività dei materiali porosi ed alcuni aspetti della durabilità del calcestruzzo armato; b. quello della modellazione della durabilità dei materiali alla scala del sito archeologico; le applicazioni presentate riguardano i centri di cultura nuragica di Su Monte-Sorradile, GennaMaria-Villanovaforru e Is Paras-Isili; c. quello della scelta strategica costituita dalla selezione del miglior progetto di conservazione considerando gli aspetti connessi all’Ingegneria dei Materiali congiuntamente a quelli culturali, paesaggistici ed economici; le applicazioni hanno riguardato due importanti monumenti (Anfiteatro e Terme a Mare) del sito Romano di Nora-Pula.

Aspetti innovativi per la valutazione e la misura della porosità nei materiali dell'edilizia antica e moderna. La geometria frattale della porosità

New concepts on porosity appraisal in ancient and modern construction materials. The role of Fractal Geometry on porosity characterization and transport phenomena. This work studied the potential of Fractal Geometry to the characterization of porous materials. Besides the descriptive aspects of the pore size distribution, the fractal dimensions have led to the development of rational relations for the prediction of permeability coefficients to fluid and heat transfer. The research considered natural materials used in historical buildings (rock and earth) as well as currently employed materials as hydraulic cement and technologically advanced materials such as silicon carbide or YSZ ceramics. The experimental results of porosity derived from the techniques of mercury intrusion and from the image analysis. Data elaboration was carried out according to established procedures of Fractal Geometry. It was found that certain classes of materials are clearly fractal and respond to simple patterns such as Sierpinski and Menger models. In several cases, however, the fractal character is not recognised because the microstructure of the material is based on different phases at different dimensional scales, and in consequence the “fractal dimensions” calculated from porosimetric data do not come within the standard range (less than 3). Using different type and numbers of fractal units is possible, however, to obtain “virtual” microstructures that have the fraction of voids and pore size distribution equivalent with the experimental ones for almost any material. Thus it was possible to take the expressions for the permeability and the thermal conduction which does not require empirical “constants”, these expressions have also provided values that are generally in agreement with the experimental available data. More problematic has been the fractal discussion of the geometry of the rupture of the material subjected to mechanical stress both external and internal applied. The results achieved on these issues are qualitative and prone to future studies. Keywords: Materials, Microstructure, Porosity, Fractal Geometry, Permeability, Thermal conduction, Mechanical strength.

Study of charge, spin, and structural orderings in quantum materials using nuclei and muons as local probes

Quantum Materials are many body systems displaying emergent phenomena caused by quantum collective behaviour, such as superconductivity, charge density wave, fractional hall effect, and exotic magnetism. Among quantum materials, two families have recently attracted attention: kagome metals and Kitaev materials. Kagome metals have a unique crystal structure made up of triangular lattice layers that are used to form the kagome layer. Due to superconductivity, magnetism, and charge ordering states such as the Charge Density Wave (CDW), unexpected physical phenomena such as the massive Anomalous Hall Effect (AHE) and possible Majorana fermions develop in these materials. Kitaev materials are a type of quantum material with a unique spin model named after Alexei Kitaev. They include fractional fluctuations of Majorana fermions and non-topological abelian anyons, both of which might be used in quantum computing. Furthermore, they provide a realistic framework for the development of quantum spin liquid (QSL), in which quantum fluctuations produce long-range entanglements between electronic states despite the lack of classical magnetic ordering. In my research, I performed several nuclear magnetic resonance (NMR), nuclear quadrupole resonance (NQR), and muon spin spectroscopy (µSR) experiments to explain and unravel novel phases of matter within these unusual families of materials. NMR has been found to be an excellent tool for studying these materials’ local electronic structures and magnetic properties. I could use NMR to determine, for the first time, the structure of a novel kagome superconductor, RbV3Sb5, below the CDW transition, and to highlight the role of chemical doping in the CDW phase of AV3Sb5 superconductors. µSR has been used to investigate the effect of doping on kagome material samples in order to study the presence and behaviour of an anomalous phase developing at low temperatures and possibly related to time-reversal symmetry breaking.