Nanotecnologia: una nuova opportunità per il calcestruzzo

Da quando il premio Nobel Richard P. Feynman introdusse la nanotecnologia durante il suo famoso discorso nel 1959 “There’s Plenty of Room at the Bottom”, ci sono stati notevoli progressi, anche rivoluzionari, in ambiti quali la fisica, la chimica, la biologia che hanno dimostrato le immense opportunità del manipolare la materia su scala nanometrica.

La nanotecnologia può avere significati diversi in discipline diverse ma, in generale, può essere definita come il capire, controllare e ristrutturare la materia nell’ordine dei nanometri (di solito al di sotto dei 100 nm) per creare materiali con proprietà e funzioni fondamentalmente nuove. 

Lavorando a livello molecolare, la nanotecnologia apre infinite possibilità di progettazione della materia, potendo, a livello nanometrico, cambiare colore, forma e fase molto più facilmente che a livello macroscopico. Anche proprietà fondamentali come resistenza, rapporto superficie/massa, conduttività, elasticità possono essere progettate per creare materiali profondamente diversi.
Interessante è anche la possibilità di far convergere i materiali di sintesi con quelli biologici prendendo spunto dalle configurazioni nanometriche della natura per ricreare proprietà uniche per affascinanti nuovi materiali.

LA NANOTECNOLOGIA E IL CALCESTRUZZO: APPROCCI DI BASE
La nanotecnologia si suddivide in due principali approcci:

1) il cosiddetto approccio “top down” in cui grandi strutture sono ridotte a scala nanometrica mantenendo le loro proprietà di base senza un controllo a livello atomico,
2) il cosiddetto “bottom up” in cui i materiali sono ottenuti a partire da componenti atomici o molecolari.
Ad oggi le applicazioni della nanotecnologia in calcestruzzo sono molto diversificate.
Sicuramente notevoli progressi sono stati fatti in termini di comprensione di fenomeni come l’idratazione del cemento, la coesione, fenomeni all’interfaccia, meccanismi di degradazione.
Strumentazioni sofisticate come Atomic Force Microscope (AFM), Small-angle neutron scattering (SANS), ultrasmall-angle X-ray scattering (SAXS), nuclear magnetic resonance (NMR) hanno permesso una caratterizzazione più completa e precisa dei materiali cementizi e tecniche quali la nanoindentazione hanno permesso anche una caratterizzazione delle proprietà meccaniche delle fasi nanoscopiche.
Ulteriore contributo della nanotecnologia alla comprensione dei materiali cementizi sono i calcoli computazionali capaci di prevedere microstruttura e proprietà del calcestruzzo integrando principi di fisica e di chimica. Calcoli atomici ab initio, dinamica molecolare e tecniche di minimizzazione dell’energia hanno permesso una comprensione più approfondita dei fenomeni che accadono su scala nanometrica fornendo poi le basi di miglioramento delle prestazioni su scala macroscopica.
Anche se l’applicazione della nanotecnologia a nuovi prodotti commerciali legati al calcestruzzo resta, per il momento, invece limitata, varie tecnologie offrono spunti interessanti che, a breve, non mancheranno di diventare realtà nel campo delle costruzioni.
Per esempio, tecnologie come nanotubi di carbonio sembrano essere già più a portata di mano e le loro prestazioni meccaniche fino a 250 volte superiori a quelle dell’acciaio con un peso 10 volte inferiore, oltre alla loro conduttività elettrica e termica, aprono orizzonti davvero interessanti.
D’altra parte, considerando che il calcestruzzo è uno dei materiali più utilizzati nel mondo, che tal materiale è cambiato poco da quando è stato sviluppato un centinaio di anni fa e che, al contrario, le prestazioni richieste ai materiali da costruzione si fanno sempre più elevate, è chiara la necessità di una sua evoluzione.
In pratica il calcestruzzo è già di per sé un materiale nanostrutturato visto che consiste di “assemblaggi molecolari”, superficie, legami chimici, forze intermolecolari a livello nanometrico. Inoltre composti chimici nanostrutturati come gli additivi chimici sono da lungo tempo impiegati per migliorare le proprietà del calcestruzzo. In modo provocatorio potremmo quindi dire che il calcestruzzo ha racchiuso in sé una buona dose di nanotecnologia già prima che Feynman introducesse il concetto di nanotecnologia.
È chiaro comunque che un approccio più sistematico alla nanotecnologia per il calcestruzzo, sia intesa come più approfondita investigazione e comprensione dei fenomeni, che come nanostrutturazione della materia per raggiungere nuove proprietà, potrebbe fornire la risposta all’evoluzione del calcestruzzo come moderno materiale da costruzione capace di fornire soluzioni a problemi tra i più importanti: impatto ambientale e tempo di vita delle strutture .