Realizzazione e caratterizzazione chimico-fisica di una sorgente di plasma di non equilibrio operante a pressione atmosferica per la modifica superficale di materiali polimerici in ambiente controllato

Il plasma, quarto stato della materia, rappresenta un gas ionizzato in cui ioni ed elettroni si muovono a diverse energie sotto l’azione di un campo elettro-magnetico applicato dall’esterno. I plasmi si dividono in plasmi di equilibrio e di non equilibrio termodinamico, quest’ultimi sono caratterizzati da un’alta temperatura elettronica (oltre 10000 K) e da una bassa temperatura traslazionale degli ioni e delle specie neutre (300-1000 K). I plasmi di non equilibrio trovano largo impiego nella microelettronica, nei processi di polimerizzazione, nell’industria biomedicale e del packaging, consentendo di effettuare trattamenti di sterilizzazione e attivazione superficiale. Il lavoro di tesi è incentrato sui processi di funzionalizzazione e polimerizzazione superficiale con l’obbiettivo di realizzare e caratterizzare sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica operanti in ambiente controllato. È stata realizzata una sorgente plasma operante a pressione atmosferica e in ambiente controllato per realizzare trattamenti di modifica superficiale e di polimerizzazione su substrati polimerici. L’efficacia e l’omogeneità dei trattamenti eseguiti sono stati valutati tramite misura dell’angolo di contatto. La caratterizzazione elettrica ha consentito di determinare i valori di densità di energia superficiale trasferita sui substrati al variare delle condizioni operative. Lo strato depositato durante il processo di polimerizzazione è stato analizzato qualitativamente tramite l’analisi chimica in spettroscopia infrarossa. L’analisi delle prove di funzionalizzazione dimostra l’uniformità dei processi plasma eseguiti; inoltre i valori dell’angolo di contatto misurati in seguito ai trattamenti risultano confrontabili con la letteratura esistente. Lo studio dei substrati trattati in atmosfera satura d’azoto ha rivelato una concentrazione superficiale di azoto pari al 3% attribuibile alla presenza di ammine, ammine protonate e gruppi ammidici; ciò conferma la bontà della soluzione realizzata e dei protocolli operativi adottati per la funzionalizzazione delle superfici. L’analisi spettroscopica dei trattamenti di polimerizzazione, ha fornito spettri IR confrontabili con la letteratura esistente indicando una buona qualità del polimero depositato (PEG). I valori misurati durante la caratterizzazione elettrica della sorgente realizzata risulteranno fondamentali in futuro per l’ottimizzazione del dispositivo. I dati raccolti infatti, determineranno le linee guida per il tailoring dei trattamenti plasma e per lo sviluppo della sorgente. Il presente lavoro di tesi, pur prendendo in esame una piccola parte delle applicazioni industriali dei plasmi non termici, conferma quanto queste siano pervasive nei comuni processi industriali evidenziandone le potenzialità e i numerosi campi d’applicazione. La tecnologia plasma è destinata ad essere imprescindibile per la ricerca di soluzioni innovative ai limiti dei processi tradizionali.

Giunzione mediante laser di materiali difficili, ibridi ed a struttura cellulare

Lo studio presentato in questa sede concerne applicazioni di saldatura LASER caratterizzate da aspetti di non-convenzionalità ed è costituito da tre filoni principali. Nel primo ambito di intervento è stata valutata la possibilità di effettuare saldature per fusione, con LASER ad emissione continua, su pannelli Aluminum Foam Sandwich e su tubi riempiti in schiuma di alluminio. Lo studio ha messo in evidenza numerose linee operative riguardanti le problematiche relative alla saldatura delle pelli esterne dei componenti ed ha dimostrato la fattibilità relativa ad un approccio di giunzione LASER integrato (saldatura seguita da un post trattamento termico) per la realizzazione della giunzione completa di particolari tubolari riempiti in schiuma con ripristino della struttura cellulare all’interfaccia di giunzione. Il secondo ambito di intervento è caratterizzato dall’applicazione di una sorgente LASER di bassissima potenza, operante in regime ad impulsi corti, nella saldatura di acciaio ad elevato contenuto di carbonio. Lo studio ha messo in evidenza come questo tipo di sorgente, solitamente applicata per lavorazioni di ablazione e marcatura, possa essere applicata anche alla saldatura di spessori sub-millimetrici. In questa fase è stato messo in evidenza il ruolo dei parametri di lavoro sulla conformazione del giunto ed è stata definita l’area di fattibilità del processo. Lo studio è stato completato investigando la possibilità di applicare un trattamento LASER dopo saldatura per addolcire le eventuali zone indurite. In merito all’ultimo ambito di intervento l’attività di studio si è focalizzata sull’utilizzo di sorgenti ad elevata densità di potenza (60 MW/cm^2) nella saldatura a profonda penetrazione di acciai da costruzione. L’attività sperimentale e di analisi dei risultati è stata condotta mediante tecniche di Design of Experiment per la valutazione del ruolo preciso di tutti i parametri di processo e numerose considerazioni relative alla formazione di cricche a caldo sono state suggerite.

Spettroscopia di fototensione superficiale: Principi e applicazioni a materiali semiconduttori

Nel capitolo 1 si riassumono le proprietà fisiche della superficie dei semiconduttori e sono descritti i principi teorici dell' effetto di fototensione superficiale (SPV) con particolare attenzione sullo studio della SPV in film sottili semiconduttori. Nel capitolo 2 si presenta la strumentazione sperimentale per l'analisidella fototensione superficiale fornendo alcuni esempi di set-up generici e più particolari. Infine nel capitolo 3 si descrivono alcune applicazioni della spettroscopia di fototensione superficiale (SPS).

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Monitoraggio strutturale (structural health monitoring) di laminati CFRP tramite reticoli di Bragg in fibra ottica

Lo studio si propone di valutare la capacità dei reticoli di Bragg in fibra ottica, di individuare e monitorare danneggiamenti presenti all'interno di laminati in composito, tramite l'analisi degli spettri riflessi dai reticoli stessi. Sono stati utilizzati due tipi diversi di stratificazione dei laminati, per valutare il diverso comportamento dei reticoli di Bragg inseriti all'interno dei laminati. Le proprietà dei materiali e degli spettri riflessi dai reticoli, sono state messe in relazione qualitativamente e quantitativamente, al fine di sviluppare un valido metodo di Structural Health Monitoring.

Rinforzi di murature con compositi frcm. Caso di studio: Teatro Pavarotti di Modena.

Il presente lavoro è volto allo studio di soluzioni di rinforzo strutturale di edifici storici in muratura mediante materiali compositi innovativi a matrice inorganica FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix). E' stato effettuato un confronto tra due sistemi di rinforzo con compositi SRG (Steel Reinforced Grout) in fibre d'acciaio ad altissima resistenza, nell'ottica di un progetto di miglioramento sismico del teatro Pavarotti di Modena, in particolare della parete di fondo retrostante il palcoscenico. Ipotizzati alcuni meccanismi di collaso della parete, la vulnerabilità sismica della stessa, nei confronti di ciascun meccanismo, è stata valutata attraverso l'analisi cinematica lineare. Successivamente per ogni meccanismo è stato studiato un sistema di rinforzo SRG al fine di incrementare la capacità sismica della parete e il moltiplicatore di collasso.

Caratterizzazione sperimentale delle proprietà elettromagnetiche di materiali plastici mediante metodi risonanti

In questa tesi è stato affrontato un metodo sperimentale per la caratterizzazione elettromagnetica di un materiale plastico, ovvero l'acetato di cellulosa, fornito all'Università da una azienda della regione interessata ad un futuro impiego dell'acetato come materiale principale nelle "cover" di smartphone di ultima generazione. Il fine principale è quello di determinare le principali proprietà dielettriche del materiale, ovvero la permettività relativa o costante dielettrica e il fattore di dissipazione, o tangente di perdita, la cui conoscenza risulta il primo passo per per lo scopo iniziale dell'azienda. Il metodo impiegato fa uso di un risonatore in microstriscia a T, dato che il pattern della metallizzazione superiore assume questa forma. In questa tecnica avviene un confronto tra un prototipo reale di riferimento analizzato con VNA e un modello dello stesso risonatore realizzato all'interno del simulatore elettromagnetico CST, in particolare un confronto tra le frequenze di risonanza dei due casi, ricavate dall'andamento risonante dell'ampiezza di S21. I valori di permettività relativa e tangente di perdita vengono ricavati realizzando una moltitudine di simulazioni con CST fino a trovare il modello più simile al prototipo reale.

Disamina dell'effetto dei trattamenti superficiali sulle prestazioni a fatica di diversi materiali metallici

Lo studio del comportamento a fatica dei componenti è uno degli aspetti principali della progettazione. I trattamenti superficiali permettono di migliorare la resistenza dei componenti sollecitati a fatica. A tale scopo, in questo documento sono stati analizzati alcuni trattamenti superficiali applicati a differenti materiali metallici per valutarne una eventuale applicazione.

Previsione della disposizione dei tessuti nella laminazione di compositi su stampo

A seconda della forma del modello da realizzare, durante la laminazione su stampo le fibre di cui è composto un materiale composito si dispongono in maniera differente rispetto alla trama originale del tessuto. In questo lavoro di tesi, dopo una descrizione dei materiali compositi, dei processi di produzione e dei metodi implementati attualmente per la loro simulazione in codici di calcolo commerciali, si concentra l'attenzione su un metodo di modellazione dei tessuti, chiamato metodo di Verlet, che consente di studiare la disposizione di un tessuto che si adagia su un corpo di forma qualsiasi, tenendo in conto le deformazioni delle fibre. La tesi si conclude con alcune considerazioni sulla problematica affrontata e sui risultati ottenuti.

(Nano)-compositi avanzati a matrice epossidica

I materiali (nano)compositi, unendo al loro interno le prestazioni dei loro componenti, che in alcuni casi possono addirittura agire sinergicamente sviluppando nuove proprietà non appartenenti alle singole fasi isolate, appaiono come una risposta ottimale alle nuove esigenze che richiedono materiali performanti dal punto di vista meccanico e sempre più dotati di funzionalità aggiuntive. È noto come l’uso di nanocariche consenta non solo di migliorare le proprietà meccaniche, ma di aggiungere proprietà funzionali di varia natura. In questo lavoro di tesi si sono quindi valutate due tipologie di nanocariche, grafene e organoclay (ritardante di fiamma), come modificatori di una matrice epossidica commerciale. La stessa matrice è stata utilizzata anche per produrre compositi contenenti fibra di carbonio riciclata da pirolisi, con la prospettiva futura di unire i processi e ottenere compositi da fibra di riciclo e matrice multifunzionale.

Approcci innovativi per future simulazioni HPC verso l'exascale computing con applicazioni alla fisica dei materiali

In questo lavoro di tesi sono state evidenziate alcune problematiche relative alle macchine exascale (sistemi che sviluppano un exaflops di Potenza di calcolo) e all'evoluzione dei software che saranno eseguiti su questi sistemi, prendendo in esame principalmente la necessità del loro sviluppo, in quanto indispensabili per lo studio di problemi scientifici e tecnologici di più grandi dimensioni, con particolare attenzione alla Material Science, che è uno dei campi che ha avuto maggiori sviluppi grazie all'utilizzo di supercomputer, ed ad uno dei codici HPC più utilizzati in questo contesto: Quantum ESPRESSO. Dal punto di vista del software sono state presentate le prime misure di efficienza energetica su architettura ibrida grazie al prototipo di cluster EURORA sul software Quantum ESPRESSO. Queste misure sono le prime ad essere state pubblicate nel contesto software per la Material Science e serviranno come baseline per future ottimizzazioni basate sull'efficienza energetica. Nelle macchine exascale infatti uno dei requisiti per l'accesso sarà la capacità di essere energeticamente efficiente, così come oggi è un requisito la scalabilità del codice. Un altro aspetto molto importante, riguardante le macchine exascale, è la riduzione del numero di comunicazioni che riduce il costo energetico dell'algoritmo parallelo, poiché in questi nuovi sistemi costerà di più, da un punto di vista energetico, spostare i dati che calcolarli. Per tale motivo in questo lavoro sono state esposte una strategia, e la relativa implementazione, per aumentare la località dei dati in uno degli algoritmi più dispendiosi, dal punto di vista computazionale, in Quantum ESPRESSO: Fast Fourier Transform (FFT). Per portare i software attuali su una macchina exascale bisogna iniziare a testare la robustezza di tali software e i loro workflow su test case che stressino al massimo le macchine attualmente a disposizione. In questa tesi per testare il flusso di lavoro di Quantum ESPRESSO e WanT, un software per calcolo di trasporto, è stato caratterizzato un sistema scientificamente rilevante costituito da un cristallo di PDI - FCN2 che viene utilizzato per la costruzione di transistor organici OFET. Infine è stato simulato un dispositivo ideale costituito da due elettrodi in oro con al centro una singola molecola organica.

Il business del riciclo. La produzione e il riciclaggio dei principali materiali da imballaggio.

Nel mio elaborato, sono trattati i processi di produzione e riciclaggio dei principali materiali da imballaggio, con un'analisi sugli impatti ambientali ed economici dei processi.

Analisi della correlazione tra i parametri di processo e le prestazioni dei materiali polimerici ottenuti tramite fused deposition modeling

Questa tesi si propone di realizzare una caratterizzazione del polimero ABS ottenuto con tecnica Fused Deposition Modeling in modo da ottenere dati utili alla realizzazione di parti strutturali tramite rapid prototyping.

Attività fotocatalitica del biossido di titanio applicato ai materiali da costruzione. Analisi delle prestazioni in funzione della tipologia di supporto e della tecnica di deposizione

I materiali fotocatalitici, se opportunamente irradiati con luce di una opportuna lunghezza d'onda, consentono un maggior abbattimento delle sostanze organiche e inorganiche nocive con le quali vengono a contatto. Essi sono in grado inoltre grazie alla loro spiccata idrofilia di conservare inalterato nel tempo il loro aspetto estetico. Il connubio ingegneria e chimica ha creato dunque materiali fotocatalitici contenenti al loro interno particelle di TiO2, il principale fotocatalizzatore in commercio, che, applicati in ambiti urbani ed edilizi come rivestimenti, pitture, rimescolato in pasta di malte o masselli autobloccanti, pitture o piastrelle antisettiche e vetri autopulenti, possono generare effetti positivi in termini sia di antinquinamento che di antibattericità. La tesi parte dalla descrizione delle reazioni chimiche che stanno alla base della fotocatalisi e prosegue descrivendo il fotocatalizzatore più attivo ed efficace fino ad ora scoperto, il TiO2. Nella seconda parte della tesi si citano le principali aziende italiane e mondiali che si sono impegnate nella produzione di materiali fotocatalitici, riportando le loro opere e i loro prodotti. Nella parte terza si vogliono invece fornire le informazioni generali attualmente conosciute sulla minaccia alla salute che può costituire l'utilizzo di materiali nanometrici come il TiO2. Nella parte quarta invece si risponde alle ancora frequenti domande riguardanti l'efficacia del TiO2 nelle applicazioni reali al variare del materiale di supporto, la sua efficacia nel lungo termine, il reale effetto autopulente nell'ambiente reale e nel suo impatto sull'ambiente. Si riportano i risultati di laboratorio riguardanti l'efficacia fotocatalitica in termini di degradazione di tinte e di angolo di contatto, direttamente applicati alla realtà delle costruzioni: su supporti diversi in termini di permeabilità e idrorepellenza, è stata applicata una sospensione acquosa fotocatalitica applicata sia a pennello che tramite getto spray HVLP. Alcuni campioni sono poi stati dilavati simulando l'azione atmosferica di weathering dell'area bolognese.

Sviluppo e caratterizzazione di materiali biomimetici e bioattivi per la rigenerazione cartilaginea.

In questo lavoro di tesi è stato sviluppato uno scaffold biomimetico e bioattivo per la rigenerazione cartilaginea. Questo scaffold è in grado di coordinare il processo di rigenerazione di difetti condrali e promuovere la formazione di cartilagine ialina o ‘hyaline-like’ ben integrata con l’osso subcondrale. Lo scaffold realizzato è composto da due strati, uno strato cartilagineo e uno strato calficato, al fine di mimare la complessa interfaccia presente tra la cartilagine articolare e l’osso subcondrale. Lo spessore degli strati, l’adesione tra questi e la presenza di porosità è stata valutata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). Sono state effettuate analisi termogravimetriche (TGA) per determinare la percentuale di acqua residua nel campione dopo il processo di liofilizzazione e il residuo minerale nel campione stesso. Nell’ottica di ottimizzazione del processo di sintesi dello scaffold è stato valutato il grado di reticolazione del campione e il tempo di degradazione. Infine, per valutare la possibilità d’impianto è stato effettuato un test d’impianto su cadavere umano durante il quale diversi campioni, con forma rotonda o quadrata, sono stati impiantati e fissati con diverse tecniche.