Penso che l’aggettivo che meglio descrive il materiale del futuro (o forse meglio dovrei dire il futuro materiale) sia “sostenibile”. Per molto tempo lo sviluppo di nuovi materiali ha avuto come criteri cardine di selezione la prestazione e il costo. Quest’ultimo è stato sino a poco tempo fa stimato sulla base dei costi vivi per l’approvvigionamento della materia prima, l’energia necessaria alla trasformazione, i costi di distribuzione e di marketing. Questo è un approccio limitativo che on rende conto dell’impatto reale di un processo produttivo su un sistema chiuso quale è il nostro pianeta.Da alcuni anni sta acquisendo popolarità crescente un diverso modo di valutare l’impatto dei processi produttivi noto come analisi di ciclo di vita (Life Cycle Analysis, LCA). L’approccio prevede non solo la contabilizzazione di tutti gli input energetici necessari ma anche l’impatto che la sottrazione di determinate materie prime esercita sul totale finito delle materie prime a disposizione. Nel testo richiamo questo concetto sfruttando una bella immagine predisposta dalla European Chemical Society in occasione dell’anniversario dell’introduzione della tavola periodica degli elementi di Mendeleev. Anche i meno addentro alle tematiche scientifiche conoscono quantomeno la rappresentazione grafica di questa tavola, ormai una delle icone assodate della modernità. Nella sua rappresentazione canonica la Tavola riporta tutti gli elementi ordinati secondo le proprie caratteristiche chimiche e rappresentati in caselle di uguale dimensione. La versione aggiornata della EuChemSoc adotta invece caselle la cui dimensione è proporzionale alla abbondanza relativa degli elementi sulla crosta terrestre, segnalando con un colore rosso quelli la cui disponibilità rispetto alla domanda è talmente bassa da porre seri problemi di reperibilità anche a breve termine. L’Indio, un metallo cruciale ad esempio per la tecnologia dei displays, è classificato come critico (Critical Raw Material). È chiaro che la produzione di qualunque materiale che contenga Indio, ha un impatto complessivo sulla totalità delle risorse disponibili molto forte e decisamente mal rappresentato dal solo costo di estrazione e trasformazione.
Le analisi LCA pongono grande enfasi sul recupero delle materie prime una volta che un determinato materiale abbia esaurito il proprio ciclo di vita. Questo naturalmente comporta un ulteriore dispendio energetico (necessario ai processi di riciclo) ma riduce notevolmente il consumo di risorse critiche.
Il materiale del futuro deve quindi necessariamente essere basato un utilizzo il più possibile efficiente delle materie prime e deve essere prodotto tramite processi che ne rendano possibile il riciclo nel modo più completo possibile.
Questo è il motivo per cui più che indicare una serie di materiali specifici che giocheranno un ruolo determinate nel futuro, preferisco indicare due caratteristiche che questi materiali dovranno avere (non necessariamente in congiunzione). La prima riguarda la dimensione: molti futuri materiali saranno nanostrutturati. Avranno cioè caratteristiche tali da sfruttare al meglio la maggior parte degli atomi costituenti. La seconda riguarda la loro origine e il loro fato allo stesso tempo. Molti futuri materiali strategici saranno ottenuti tramite processi direttamente biotrasfromativi o di ispirazione biologica e saranno allo stesso tempo largamente biodegradabili. I processi naturali sono infatti esempi perfetti di tecnologie a bassissimo consumo di risorse (o per dirla in altri termini a LCA favorevole). Se questo sembra un obiettivo fantascientifico, direi che basta pensare che il legno è un materiale ad elevate prestazioni, di origine biologica e completamente biodegradabile! Questo è l’esempio che si dovrà seguire in futuro per garantire uno sviluppo sostenibile.
Quali sono i materiali futuribili più promettenti?
Nessun moderno elenco di materiali futuribili può essere completo senza citare il grafene. Si tratta sicuramente di un esempio eccellente utilizzo efficiente delle risorse: il grafene è un foglio bidimensionale di atomi di carbonio. Questo comporta un eccellente utilizzo della materia prima, dato che tutti gli atomi sono in superficie e quindi disponibili per l’utilizzo funzionale che sene vuole vare, ed è basato su uno degli elementi più abbondanti della crosta terrestre. Si tratta quindi di un materiale nanostrutturato e sostenibile. Le sue proprietà sono impressionanti e non passa giorno senza che venga pubblicato un articolo scientifico che ne descriva le capacità di condurre la carica, la resistenza meccanica, l’uso in sensoristica e in un’ampia varietà di componenti elettronici. Lavorarlo non è semplice, anche in considerazione del fatto che un materiale fatto solo di atomi di superficie è molto difficile da tenere pulito.
Il grafene rappresenta un caso molto particolare di semiconduttore, la classe di materiali che più di ogni altra a contribuito alla rivoluzione della digitalizzazione.
Molti osservatori prevedono che uno dei futuri trend di sviluppo di tecnologie, e quindi dei nuovi materiali che ne permetteranno la realizzazione, sarà l’interazione coi sistemi biologici e ultimamente con gli esseri umani. I progressi che sono stati fatti recentemente nell’ambito dei cosiddetti biomateriali sono impressionanti. È già oggi possibile stampare, utilizzando moderne stampanti additive 3D, dei sostituti funzionanti di tessuti biologici. Sono in via di sviluppo, ma in costante miglioramento, impianti che in futuro permetteranno di ripristinare la capacità di visione in persone affette da gravi malattie degenerative della cornea. Lo sviluppo di particolari tipi di nanotubi di carbonio potrebbe permettere il recupero della mobilità in pazienti che abbaino subito rescissioni traumatiche del midollo spinale. Anche la diagnostica e la terapia personalizzata saranno presto rivoluzionate dallo sviluppo di dispositivi elettronici ingeribili in grado di portare i laboratori di analisi dentro al nostro corpo. È sperabile che in un futuro prossimo l’invasività di certe procedure possa diventare solo un brutto ricordo.
Quale futuro per la plastica?
Come spiego diffusamente nel libro, non esiste una sola plastica. Ne esistono moltissime, ciascuna delle quali con caratteristiche diverse. La nostra società non può, almeno a breve termine, pensare di poter fare a meno delle plastiche in toto. Ne siamo talmente dipendenti che il volume di mercato del solo polipropilene (una delle centinaia di materie plastiche attualmente in uso per una miriade di applicazioni) corrisponde allo 0.15 % del Prodotto Interno Lordo mondiale.
Se le plastiche ci accompagneranno quindi ancora per molto tempo, ciò che deve cambiare drasticamente è la consapevolezza nel loro utilizzo. Esistono plastiche con caratteristiche molto differenti tra di loro. Una delle più impressionanti è la stabilità. Il polipropilene di cui si diceva poco sopra ha una inerzia chimica notevolissima, associata a leggerezza, resistenza e lavorabilità quasi senza pari. Si tratta anche di un materiale che costa molto poco da produrre. Si è fin troppo a lungo erroneamente considerato come di scarso valore ogni materiale ce costasse molto poco produrre. Questo ha portato all’attuale disastro delle discariche a cielo aperto di materie plastiche che sono sotto gli occhi di tutti. Se considerato nel più ampio conteso del suo ciclo di vita complessivo, un manufatto in polipropilene diventa sostenibile solo le a fine vita la plastica di cui è costituito può essere riciclata.
Se quindi non possiamo fare a meno della plastica, è necessario adottare modalità di utilizzo che rendano possibile il riciclo completo a fine utilizzo originale e una rifinalizzazione nel medesimo o in un altro settore produttivo (la cosiddetta second life). Oggi si parla molto, e giustamente, di economia circolare. Si tratta dio un modello economico che non prevede la produzione di scarti. Il risultato di un processo trasformativo è un manufatto che a fine vita deve diventare la materia prima di un altro processo.
Questo è il futuro è la sfida della plastica: lo sviluppo di nuovi modelli circolari che ne permettano l’utilizzo solo quando è contemporaneamente possibile un completo recupero a fine vita.
Nel libro ci presenta l’indio, elemento che «è diventato più importante dell’oro»: quali sono le sue applicazioni e perché è così prezioso?
Come dicevo poc’anzi, l’Indio è uno dei più rilevanti Critical Raw Materials da cui alcune tecnologie tra cui i display e le celle solari non possono fare a meno. Si tratta di un metallo poco conosciuto e decisamente poco appariscente, ricorda infatti l’argento ma a differenza di quest’ultimo si ossida molto facilmente all’aria e non possiede quindi alcuna attrattiva dal punto di vista estetico.
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Si tratta di un cosiddetto materiale scarso, di per se non è tra i più rari ma non ne esistono giacimenti dedicati. Industrialmente si ottiene come sottoprodotto dei processi correlati alla metallurgia dello zinco. La sua concentrazione nei minerali di partenza è però talmente bassa che la sua estrazione diretta non è economicamente conveniente. Questa situazione comporta di fatto una posizione di monopolio sul mercato da parte delle due sole economie che producono Zinco in quantità sufficientemente elevata: USA e Cina.
L’Indio rappresenta un esempio molto rilevante di come rivolgersi oggi a ciò che fino a ieri abbiamo considerato un rifiuto possa trasformarsi non solo in una operazione meritevole dal punto di vista ambientale ma anche in un processo economicamente conveniente. Al momento attuale, la concentrazione più elevata di Indio del pianeta può essere reperita in corrispondenza delle… discariche! In particolar modo di quelle in cui vengono stoccati io cosiddetti rifiuti RAEE (Rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche). Questo vale allo stesso modo per molti altri materiali critici, la cui concentrazione è particolarmente elevata in tutti i siti in cui abbiamo accumulato per anni manufatti a fine vita. Oggi si parla sempre di più di trasformare le discariche nelle nuove miniere (Urban Mining), utilizzando il più possibile elettricità da fonte rinnovabile per i processi di recupero che si renderanno necessari.
In che modo scienza dei materiali e cucina possono incontrarsi?
I cibi sono materiali, alcuni anche molto complessi perché compositi. La possibilità di garantire una nutrizione adeguata e bilanciata a tutta la popolazione mondiale, peraltro in costante crescita, rappresenta una delle principali sfide che l’umanità si troverà a dover affrontare nei prossimi 50 anni. Gli attuali modelli alimentari, in particolar modo per quel che concerne la dieta delle nazioni occidentali, sono decisamente non sostenibili. Il consumo di carne è uno dei problemi più rilevanti perché anche se generalmente poco considerato dai media, l’allevamento intensivo è una delle principali cause del riscaldamento globale.
Potrà far sorridere ma altre fonti di proteine, come ad esempio gli insetti, garantiscono una dieta altrettanto equilibrata ma hanno un impatto ambientale decisamente meno marcato. È chiaro che la barriera culturale è molto forte. Alcuni moderni approcci di cosiddetta manifattura additiva (la stampa 3D) potrebbero aiutare ad aumentare l’accettazione di questi alimenti alternatavi, facendoli assomigliare molto di più a ciò che siamo più abituati a trovare nei nostri piatti.
Luca Beverina è Professore Ordinario di Chimica Organica presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca. È laureato e Dottore di Ricerca in Scienza dei Materiali, trai primi in Italia a ricevere questi titoli nel 1999 e nel 2002 rispettivamente. Si occupa di materiali a base organica, particolarmente per applicazioni in elettronica stampabile. Collabora con industrie piccole, medie e grandi su tematiche relative alla chimica delle formulazioni, chimica verde e chimica di pigmenti e coloranti. È delegato della Rettrice per la Valorizzazione dei Brevetti.
