Stabilità ad alta temperatura delle leghe ad alta entropia: effetti della tecnologia di produzione

Dando continuità all’attività di ricerca intrapresa durante il mio precedente tirocinio presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale DIN di Bologna, lo scopo della mia tesi è stato quello di chiarire i meccanismi di stabilità di fase della lega ad alta entropia CoCrFeMnNi ed esplorare la sua natura metastabile alle medio-alte temperature (tra i 450-1150°C). Nell’ottica di possibili future applicazioni industriali, è stato inoltre valutato l’effetto che la produzione via Additive Manufacturing può avere su proprietà e comportamenti delle leghe ad alta entropia. Sperimentalmente sono state fatte importanti osservazioni, a volte in contrasto con la letteratura precedente, che aprono la strada ad ulteriori e più specifiche indagini verso la comprensione dei complessi meccanismi che recentemente hanno reso queste leghe così interessanti per la ricerca a livello mondiale.

Valutazione degli impatti ambientali di un processo biobased nella produzione di acido crotonico

L’utilizzo di biomasse come fonte di chemicals nell’industria chimica mira a rendere più sostenibili i processi industriali e i materiali prodotti. In particolare, l’acido crotonico (AC), impiegato come building block nella produzione di vernici e rivestimenti, è prodotto tradizionalmente da fonti fossili. La domanda globale ammonta a circa 1000 tonnellate ed è in continuo aumento, rendendo prioritaria l’individuazione di una sintesi alternativa e sostenibile. In questo studio, l’analisi del ciclo di vita (life cycle assessment, LCA) è stata applicata per stimare la carbon footprint e la domanda cumulativa di energia relative ad una sintesi innovativa dell’AC, basata sulla conversione termica di un precursore derivato da biomasse di scarto. In particolare, il processo prevede l’applicazione di un trattamento termochimico a poli-idrossi-butirrati (PHB) prodotti da colture batteriche miste a valle del processo B-PLAS. Sono stati modellati due scenari comparativi con l’obiettivo di (i) valutare la sostenibilità ambientale della sintesi alternativa nella tecnologia B-PLAS, considerando una condizione “base” di processo (con un contenuto di PHB pari al 30% nello slurry in ingresso al processo) e una “ottimale” (con un contenuto di PHB pari al 60%); (ii) confrontare gli impatti ambientali del processo di sintesi alternativo per entrambi gli scenari con quelli di sintesi dell’AC da fonti fossili. I risultati dell’LCA mostrano che nel processo B-PLAS, giunti alla produzione dello slurry (fango) arricchito in PHB, si possono avere due strade equivalenti estraendo i PHB o convertendoli in AC con una lieve preferenza per il processo estrattivo (0.71MJ/kgslurry vs 1.11MJ/kgslurry) nella condizione di base e (0.69MJ/kgslurry vs 1.17MJ/kgslurry) in quella ottimale. Estendendo la comparazione alla produzione dell’AC da fonti fossili, quello bioderivato comporta un impatto ambientale ampiamente inferiore, stimato in 159.6 MJ/kgAC e 204.6 MJ/kgAC per gli scenari “base” e “ottimale”.

Membrane elettrofilate di cheratina e poli(butilene succinato): effetti della composizione della miscela sulle proprietà chimico-fisiche delle membrane e sulla cinetica di rilascio di farmaci

In ambito biomedicale una delle applicazioni che ad oggi sta riscuotendo un interesse crescente è lo studio di dispositivi performanti per il rilascio controllato di farmaci. La realizzazione di materiali nanofibrosi a base di polimeri di origine naturale e sintetica costituisce una strada molto interessate. In particolare, la cheratina, che può essere ricavata da un’ampia quantità di sottoprodotti delle industrie zootecniche e tessili, presenta ottima biocompatibilità e caratteristiche che le consentono di svolgere il ruolo di carrier per molteplici tipologie di sostanze. La fragilità e la difficile processabilità della cheratina possono essere migliorate mediante miscelazione con polimeri di origine sintetica, come il poli(butilene succinato) (PBS), un poliestere alifatico biodegradabile e biocompatibile, caratterizzato da un buona stabilità termica e da ampia lavorabilità. Nel presente lavoro di Tesi sono state realizzate miscele e membrane elettrofilate a base di PBS e cheratina a diversa composizione, ed è stato valutato l'effetto della composizione sulle proprietà chimico-fisiche delle membrane elettrofilate e sulla cinetica di rilascio di farmaci. Per prima cosa è stata analizzata la stabilità della cheratina nel solvente; sono state quindi svolte analisi sul comportamento reologico delle miscele in tre rapporti di peso ed i tappetini elettrofilati sono stati caratterizzati da un punto di vista morfologico (SEM), termico (TGA e DSC) e meccanico (prove di trazione e di adesione). Le prove di rilascio sono state effettuate impiegando rodamina, una molecola modello, e le membrane sono state analizzate prima e dopo il rilascio tramite FTIR, per valutare eventuali variazioni compositive. Dai risultati ottenuti, emerge che è stato possibile modulare sia le proprietà delle membrane sia i profili di rilascio, agendo semplicemente sulla composizione delle miscele, ad indicare un’ampia versatilità per applicazioni in ambito di rilascio controllato di farmaco.

Analysis of the Mediterranean tropical-like cyclone Numa from a numerical model simulation

I Medicane sono rari cicloni che si sviluppano sul Mar Mediterraneo e presentano caratteristiche dei cicloni tropicali, come la forma a spirale delle bande di nubi, un occhio privo di venti e nubi, venti intensi nella banda che circonda l’occhio e la presenza di un nucleo caldo. Nel presente lavoro, è stata compiuta un’analisi del Medicane Numa, verificatosi nel novembre del 2017, utilizzando gli output della simulazione del modello RAMS-ISAC. L’obiettivo di questa tesi è l’identificazione e la descrizione delle caratteristiche tropicali di Numa, focalizzandosi sulla descrizione dei diversi stadi di sviluppo del ciclone. Il sistema di bassa pressione è stato identificato utilizzando la pressione sul livello del mare, mentre l’anomalia termica e il vento orizzontale hanno permesso una descrizione della struttura del Medicane e del suo nucleo caldo. Un’illustrazione della struttura a spirale delle bande di nubi e dell’occhio è stata ottenuta con il grafico dei rapporti di mescolanza delle idrometeore di nubi e pioggia. Questi parametri hanno consentito di ricavare il diametro dell’occhio, pari a 75 km, mentre il diametro del Medicane è risultato 230 km. Numa ha registrato una velocità massima del vento in superficie di 20 m/s nella banda adiacente all’occhio del ciclone. Il diagramma di Hart dello spazio delle fasi del ciclone ha confermato la natura simil-tropicale di Numa e ne ha descritto l’evoluzione, identificando la transizione da sistema a caratteri tropicali a sistema ibrido. La traiettoria nello spazio delle fasi ha consentito l’identificazione delle sottofasi dell’evoluzione di Numa, confermate dai grafici dell’evoluzione temporale dei parametri menzionati in precedenza. L’analisi ha mostrato il ruolo cruciale della presenza di una struttura organizzata nel determinare l’intensità e la durata delle caratteristiche tropicali. Tutti i parametri hanno evidenziato la simmetria della struttura durante la persistente fase matura di Numa.

Un commento a Lucrezio, De rerum natura 6.703-1089

La tesi consiste in un commento scientifico ai versi 703-1089 del VI libro di Lucrezio, dove sono discussi vari mirabilia della natura (le piene estive del Nilo, i luoghi Averni, l’escursione termica dei pozzi, alcune fonti prodigiose e il magnete). Nell’introduzione, si traccia una rapida panoramica del VI libro per contestualizzare al suo interno il passo oggetto del commento; ci si concentra, poi, sul significato della meraviglia e del meraviglioso nell’opera, anche a confronto con la tradizione paradossografica. Seguono il testo, corredato di un sintetico apparato critico, e la traduzione. Nel commento, che intende valorizzare il côté letterario, filosofico e scientifico dell’opera, sono affrontati i più rilevanti problemi testuali ed esegetici, oltre a questioni di ordine grammaticale, linguistico, stilistico e metrico. Chiudono il lavoro due appendici di natura critico-testuale.

Emissione di Bremsstrahlung e applicazioni astrofisiche

Scopo di questo elaborato è studiare il processo di emissione di radiazione chiamato Bremsstrahlung, parola tedesca che letteralmente vuol dire radiazione di frenamento e che indica la radiazione emessa da una carica elettrica accelerata dal campo coulombiano di un’altra carica. L’emissione di Bremsstrahlung avviene nel continuo e interessa un ampio intervallo di lunghezze d’onda, che va dalle onde radio fino ai raggi γ. Nel capitolo 1 tratteremo sia la radiazione prodotta da un singolo evento, sia quella prodotta da un plasma reale. Successivamente, ci concentreremo sulla Bremsstrahlung termica, approfondendo anche la questione dell’autoassorbimento e della brillanza di Bremsstrahlung. Il capitolo si chiude con la descrizione della Bremsstrahlung relativistica. Nel capitolo 2 descriveremo invece alcuni oggetti astrofisici in cui la Bremsstrahlung gioca un ruolo importante (il mezzo interstellare e le regioni HII, il mezzo intracluster) e concluderemo accennando al ruolo che questo processo radiativo ha nelle cascate elettromagnetiche nell’atmosfera terrestre che consentono lo studio dei raggi γ.

Sintesi di compositi nanostrutturati a base di TiO2 per la depurazione delle acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella realizzazione di fotocatalizzatori a base di nano-TiO2 per potenziali applicazioni nel campo della depurazione delle acque reflue. Nello specifico sono stati sintetizzati nanocompositi accoppiando nano-TiO2 a due materiali grafitici: ossido di grafene (GO), tramite ultrasonicazione (TGO) e nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), attraverso due tecniche: ultrasonicazione e polimerizzazione termica in situ. Per i compositi TGO lo studio relativo alla sintesi è stato rivolto all’ottimizzazione della percentuale in peso di GO. Per i compositi a base di g-C3N4 lo scopo è stato quello di valutare quale dei due metodi di sintesi fosse il più efficace. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico (DLS-ELS, XRD, Band Gap, BET, SEM, FT-IR, TGA-DSC) e funzionale. La caratterizzazione funzionale è stata eseguita per valutare le prestazioni fotocatalitiche dei fotocatalizzatori nanocompositi utilizzando, come reazione modello, la fotodegradazione di Rodamina B, sotto luce UV e solare. I risultati hanno messo in luce che la percentuale ottimale di GO, nei compositi TGO, è pari al 16%. Inoltre, è stato osservato un effetto sinergico tra TiO2 e GO dove i nanocompositi TGO hanno mostrato maggiore attività fotocatalitiche rispetto alla singola TiO2. I dati fotocatalitici hanno evidenziato che il metodo ottimale per la preparazione dei compositi a base di g-C3N4 e TiO2, è la polimerizzazione termica in situ a 500°C.

Valorizzazione di un sottoprodotto della lavorazione del pomodoro

Lo scopo del progetto è valorizzare lo scarto rappresentato da bucce e semi (o sansa di pomodoro) che si produce per la trasformazione industriale dei pomodori. In questa sperimentazione la sansa di pomodoro è stata essiccata con un prototipo funzionante con un flusso di aria non riscaldat,a valutandone l’efficacia nell’allungare la shelf life del sottoprodotto, limitando la degradazione termica del licopene. Sono state effettuate determinazioni dell’attività dell'acqua, della concentrazione di licopene e del profilo in composti volatili (mediante tecnica SPME-GC-MS) sia sul sottoprodotto fresco che su quello essiccato e poi conservato sottovuoto e al buio per diversi tempi: 0, 60, 80, 110 giorni. L'estrazione del licopene è avvenuta mediante l’utilizzo di DES (Deep Eutectic Solvents) con miscela di etil acetato/etil lattato 30/70 v/v: un approccio più sostenibile in linea con i principi della “Green Chemistry”. Grazie alla collaborazione con il gruppo di ricerca del Dipartimento di Nutrizione, Scienze degli Alimenti e Gastronomia dell’Università di Barcellona, si è proceduto anche ad un’analisi cromatografica (HPLC-DAD) per la determinazione qualitativa e quantitativa del beta-carotene, del licopene e dei suoi cis isomeri. L’alta deperibilità di questo sottoprodotto ne causa una rapidissima degradazione microbica. Una migliorata conservabilità permetterebbe il suo uso differito nel tempo, poiché la campagna del pomodoro avviene durante i pochi mesi estivi. Questo ne impedisce l’immediato uso durante le campagne di lavorazione di altri prodotti alimentari, che potrebbero così essere arricchiti degli antiossidanti e i pigmenti naturalmente presenti nelle bucce del pomodoro. L’orizzonte temporale di questo studio è stato scelto per comprendere se la stabilità del semilavorato essiccato potesse essere compatibile con la campagna olivicola (ottobre-novembre) per la produzione di oli co-franti arricchiti della frazione antiossidante liposolubile presente nel sottoprodotto.

Caratterizzazione e miglioramento del sistema isolante per macchine elettriche per autotrazione

La forte espansione del mercato della mobilità elettrica degli ultimi anni ha portato sotto i riflettori nuove esigenze, tecnologie e problematiche per il Power Train di questi veicoli. L’attenzione all’affidabilità del motore elettrico è ormai al pari di quella verso prestazioni, efficienza e costi. Al fine di garantire una vita utile al motore congrua con quella del veicolo, che si attesta tra mediamente tra i 5 e i 10 anni, è necessario conoscere attentamente quali sono le criticità del sistema isolante (EIS) della macchina. All’interno di questo ambito, questa tesi si è concentrata sull’analisi dei diversi componenti che costituiscono l’EIS dello statore di un motore elettrico impiegato in una super car ibrida. Il primo passo è stato caratterizzare i sottocomponenti dello statore, a partire dai fili (Litz Wires) con cui sono realizzati i suoi avvolgimenti. I tempi di endurance dei fili sotto attività di scarica parziale (PD) nell'ordine dei minuti hanno dimostrato la necessità di operare in assenza di scariche. Per questo motivo è stato studiato l'andamento del PDIV sotto diverse forme d'onda e per provini invecchiati termicamente. Lo studio è stato poi esteso allo statore completo, sottoponendo l’EIS a cicli di invecchiamento, al fine di diagnosticare, attraverso prove elettriche, se le sue prestazioni restano accettabili per l’interezza della vita prevista dall’applicazione. In conclusione, sono state trattate le problematiche della qualifica dell’EIS completo di un motore elettrico. È stata proposta una soluzione per realizzare un sistema idoneo a sottoporre lo statore da invecchiare a stress elettrico e termico contemporaneamente. Gli studi effettuati in merito hanno dimostrato la fattibilità ed i benefici di questo sistema, permettendo di rispecchiare al meglio le condizioni di servizio della macchina, con l’obiettivo di perfezionare le attuali procedure di qualifica.

Studio sperimentale dello stoccaggio di idrogeno in idruri metallici

Negli ultimi decenni, il riscaldamento globale, causato dall’emissioni di gas serra in atmosfera, ha spinto i governi ad agire verso una progressiva sostituzione della generazione elettrica da fonte fossile con quella da rinnovabile. La non programmabilità di alcune fonti rinnovabili ha reso necessario l’utilizzo di tecnologie di accumulo dell’energia elettrica. In particolare, la produzione di idrogeno sembra essere una valida soluzione, ma il suo stoccaggio è uno dei principali ostacoli alla sua diffusione. Tra i diversi metodi di stoccaggio, quello più promettente è quello in idruri metallici. Affinché questa tecnologia diventi competitiva, è però necessario migliorare la cinetica della reazione di assorbimento/desorbimento dell’idrogeno nel sito metallico, attraverso una migliore gestione del calore prodotto/richiesto dalla reazione. In questo contesto, la presente tesi ha come obiettivo l’ottimizzazione del processo di carica di bombole agli idruri metallici, situate all’interno di una microgrid per la generazione e l’accumulo di energia da fotovoltaico, attraverso lo sviluppo di un sistema di controllo della temperatura delle bombole, e la realizzazione di prove sperimentali per valutare i reali benefici che esso comporta, in termini di capacità di stoccaggio e velocità di assorbimento dell’idrogeno. Dopo aver presentato il contesto energetico, lo stato dell’arte degli idruri metallici e la microgrid in cui sono situate le bombole, sono state descritte due versioni diverse del sistema ideato: una versione definitiva, che potrà essere realizzata per eventuali studi futuri, e una versione semplificata, che è stata poi realizzata in laboratorio. È stato descritto nel dettaglio il setup sperimentale, realizzato per svolgere le prove sul processo di carica della bombola, e sono stati poi riportati e confrontati i risultati ottenuti nel caso in cui non si è fatto uso del prototipo e quelli ottenuti nel caso in cui viene invece utilizzato per raffreddare la bombola.

Progettazione dell'impianto di climatizzazione a servizio del Museo Nazionale della Resistenza di Milano per mezzo di simulazioni energetiche dinamiche

Il lavoro proposto si pone l’obiettivo di progettare l’impianto di climatizzazione del Museo Nazionale della Resistenza, sito in Milano, sulla base dei criteri di riduzione delle emissioni climalteranti e valorizzando l’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili presenti nel territorio, nella fattispecie attraverso lo sfruttamento dell’acqua di falda e dell’energia solare. Il primo capitolo è dedicato alla descrizione del processo di dimensionamento effettuato ed ai criteri di progettazione adottati. Lo sfruttamento diretto dell’energia solare avviene attraverso un impianto fotovoltaico integrato alla struttura museale; nel secondo capitolo viene stimata la sua capacità di produzione elettrica annuale. Vengono quindi messi a confronto i risultati ottenuti, calcolati sia su base mensile in relazione alla norma UNI 10349, sia attraverso una simulazione energetica di tipo dinamico condotta su base oraria mediante l’utilizzo del software IES VE. Viene inoltre valutata la capacità della cella fotovoltaica nel convertire la radiazione incidente in energia elettrica ed analizzato il suo comportamento al variare delle condizioni operative. Nel terzo capitolo vengono studiati gli effetti dell’irraggiamento estivo sulle pareti opache del museo, valutando la capacità delle murature di ritardare l’onda di flusso termico. È inoltre effettuata una trattazione analitica per il calcolo dei parametri necessari a determinare il comportamento dinamico dell’involucro. Attraverso la simulazione dinamica è stato possibile stimare le richieste energetiche ed elettriche, estive e invernali, della struttura museale. La soluzione impiantistica proposta per la generazione di acqua calda e refrigerata, fa uso di gruppi polivalenti acqua-acqua con possibilità di condensare o evaporare con acqua di falda. Tale soluzione viene poi analizzata e confrontata con una più versatile, ma meno efficiente, una pompa di calore aria-acqua.

Theoretical models and ab initio calculations of phonons

Questa tesi intende approfondire da un punto di vista, sia teorico sia computazionale, le proprietà fondamentali dei fononi. A tal fine, sono presentati i modelli quantistici di Einstein e di Debye che permettono la derivazione analitica degli osservabili macroscopici principali di un solido, come l’energia media e la capacità termica. Ciò è possibile tramite una trattazione meccano-statistica basata sull’approssimazione armonica dei modi normali di vibrazione degli ioni reticolari. Quindi, all’inizio si mostrano brevemente i risultati principali riguardanti l’oscillatore armonico quantistico. Successivamente, si approfondiscono i temi della dispersione fononica e della densità degli stati vibrazionali per reticoli cristallini 1D e 3D. Si ottiene che la prima non può essere considerata lineare se non nel limite di alte lunghezze d’onda, e che la seconda può presentare punti di singolarità correlati alla forma della relazione di dispersione. Infine, sono state svolte alcune analisi computazionali ab initio relative alla dispersione fononica, la densità degli stati vibrazionali e la frequenza di Debye del Carbonio (diamante) tramite i programmi VASP e Phonopy, confrontando i risultati con dati sperimentali presenti in letteratura.

Riqualificazione o demolizione e ricostruzione? Metodo di valutazione della circolarità e applicazione al caso della "Corte Palazzo" ad Argelato, Bologna

La prima parte della seguente tesi intende studiare lo stato dell’arte in ambito delle principali tecnologie di smaltimento e di recupero dei rifiuti da costruzione, per poi analizzare le metodologie di analisi del sistema di decostruzione, basate su processi di calcolo semplificati. La seconda parte si concentra invece sul confronto tra due ipotesi di intervento differenti: uno scenario di riqualificazione energetica e uno di demolizione e ricostruzione. L’obiettivo della ricerca è indagare quale dei due interventi sia il più circolare e sostenibile, dal punto di vista ambientale ed economico. Questo obiettivo si concretizza mediante lo svolgimento di una analisi LCA attraverso l’utilizzo del software OneClick LCA. Il caso di studio sul quale viene svolta tale indagine consiste nella villa realizzata agli inizi del Novecento, appartenente al complesso “Corte Palazzo” sito ad Argelato (Bologna). Per lo scenario di demolizione, dopo una prima analisi iniziale delle tecniche circolari da poter applicare più adeguate al contesto esistente, è stato sviluppato un progetto che rispettasse le stesse caratteristiche dimensionali (in termini di sagoma) e le stesse prestazioni dell’involucro (in termini di trasmittanza termica) dell’edificio riqualificato. Il metodo di analisi proposto, reiterabile e proposto ad altri casi di studio, eventualmente implementato per includere tutti i materiali che compongono il sistema costruttivo e non soltanto quelli dell’involucro, rappresenta un efficace strumento di valutazione dell’impatto ambientale ed economico degli interventi, per consentire ai progettisti e ai committenti di compiere scelte più consapevoli.

Sistemi di testing per celle a combustibile

La tesi tratta funzionamento, ottimizzazione e applicazioni delle celle a combustibile PEM (PEM Fuel cells) che sono dispositivi capaci di convertire reversibilmente l’energia chimica contenuta nel combustibile in energia elettrica, energia termica e prodotti di reazione. Vengono analizzati gli effetti di temperatura, pressione e umidità sulla cinetica, sulle prestazioni, sull’OCV, sulla conduttività della membrana e sul trasferimento di massa. In generale, per utilizzare una cella a combustibile PEM, ogni componente, materiale e l'assemblaggio delle celle dovrebbe essere realizzabile e ottimizzato per ottenere alte prestazioni. Vengono, quindi, trattate le tecniche di test e diagnosi che rappresentano il modo più popolare e affidabile per convalidare i progetti di questi componenti e della cella combustibile stessa. Inoltre, si affronta il discorso sull’idrogeno definito come vettore di energia che ha assunto un ruolo di primo piano per un mercato a basse emissioni; infatti ha un grande potenziale come combustibile alternativo e assume un ruolo centrale nello scenario energetico del futuro. Infine, si parla anche di applicazioni pratiche ed esistenti riguardanti le celle a combustibile in veicoli, come le proposte di Nuvera ed EH Group.

Miscele del poli(ottilene 2,5-furanoato) e poli(trietilene 2,5-furanoato) per imballaggi alimentari flessibili, ad alta barriera e compostabili

Nel presente progetto di tesi sono state preparate e studiate delle miscele polimeriche di poli(ottilene 2,5-furanoato) (POF) e il poli(trietilene 2,5-furanoato) (PTEF) a diversa composizione allo scopo di ottenere materiali adatti al packaging alimentare flessibile e sostenibile. I due omopolimeri sono stati sintetizzati mediante policondensazione in massa, ed in seguito sono state preparate le miscele fisiche per solvent casting, processate in forma di film per pressofusione. Dopo una completa caratterizzazione molecolare, i materiali realizzati sono stati caratterizzati morfologicamente (SEM), termicamente (TGA e DSC), strutturalmente (WAXS), meccanicamente (prove a trazione), e ne sono studiate le proprietà barriera. Le miscele sono risultate immiscibili ma comunque caratterizzate da buona compatibilità e stabilità termica. Considerando che il POF è un materiale gommoso e semicristallino mentre il PTEF è gommoso ma amorfo, le miscele presentano caratteristiche meccaniche coerenti con la loro composizione: in particolare, al diminuire della porzione cristallizabile POF e all’aumentare della porzione gommosa PTEF, si registra un progressivo aumento degli allungamenti a rottura e una diminuzione del modulo elastico. Inoltre, nelle blend contenenti il 50 e il 60% di PTEF, le performance barriera risultano migliori di quasi due ordini di grandezza rispetto a quelle dell’omopolimero POF. Per quanto riguarda le prove di compostaggio, le miscele con una quantità di POF superiore al 50% non subiscono degradazione, mentre si registra una totale compostabilità per le due miscele più ricche in PTEF.