«Fonti rinnovabili per i materiali di prossima generazione»

Terza puntata dello speciale dedicato al convegno nazionale AIMAT - l'Associazione Italiana di Ingegneria dei Materiali - a Catania, nelle sale delll'Hotel Plaza, dal 28 maggio al 1^ giugno. Abbiamo intervistato il professor Teodoro Valente, direttore dell’Istituto per i Polimeri Compositi e Biomateriali del Consiglio Nazionale delle Ricerche e neo presidente dell'ASI (Agenzia spaziale italiana), incarico che gli viene assegnato proprio nei giorni del meeting in Sicilia. 

di NICOLA CATENARO

Professor Valente, a che punto è la ricerca su polimeri, compositi e biomateriali?
«La ricerca su polimeri, compositi e biomateriali è un campo in continua evoluzione e presenta numerosi sviluppi. Per i polimeri le aree rilevanti sono molteplici, tra cui la sintesi e la caratterizzazione di polimeri con proprietà specifiche, l'ingegneria di polimeri a livello molecolare per migliorarne le prestazioni, la comprensione dei meccanismi di reazione dei polimeri, l’ampio mondo delle bioplastiche (biodegradabili e/o da fonti rinnovabili), il settore dei film funzionali per il packaging, con proprietà antibatteriche e, per specifiche applicazioni, con bassa permeabilità ai gas. Per quanto riguarda i compositi, la ricerca si concentra sullo sviluppo di materiali avanzati per ottenere proprietà desiderate, ad esempio leggerezza, resistenza meccanica, conducibilità termica. In questo campo l’uso di matrici termoplastiche (anche in forma cellulare), l’impiego di fasi di rinforzo naturali coniugate anche con matrici non da fonte fossile e lo sviluppo di tecnologie di stampa 3D rappresentano esempi di significativo interesse, pur essendo ancora in essere il ricorso ai compositi tradizionali per alcune applicazioni strutturali molto demanding dal punto di vista prestazionale. La ricerca sui biomateriali mira a sviluppare materiali compatibili con i sistemi biologici per applicazioni in campo medico e biotecnologico. Questi materiali possono essere utilizzati per la rigenerazione tissutale, la somministrazione di farmaci, l'ingegneria dei tessuti e l'implantologia. Gli studi si concentrano sulla progettazione di biomateriali che siano biocompatibili, bioattivi e in grado di interagire in modo appropriato con l'ambiente biologico».

Quali sono i materiali più innovativi e in quali settori li vedremo presto in aumento?
«La domanda è molto ampia. Sono diversi i materiali innovativi che stanno emergendo nella ricerca e che potrebbero avere un impatto significativo in diversi settori. Gli esempi vanno dal grafene ai materiali biodegradabili, ai materiali termoelettrici, in generale ai nanocompositi base polimerica di natura funzionale. Il grafene è un materiale bidimensionale composto da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale. Ha una resistenza meccanica eccezionale, è un eccellente conduttore di calore ed elettricità e ha molte altre proprietà uniche. Può avere applicazioni in settori come l'elettronica, l'energia, i materiali compositi, la medicina e l'ingegneria dei tessuti. Con l'aumento dell'attenzione verso la sostenibilità ambientale l’attenzione verso i materiali biodegradabili è molto cresciuta anche considerando il tema molto rilevante dell’inquinamento da microplastiche. I settori di interesse sono ad esempio l'imballaggio, i dispositivi medici, i tessuti e l'agricoltura. I materiali termoelettrici sono in grado di convertire il calore in elettricità e viceversa. Possono essere utilizzati per la generazione di energia termoelettrica e per il raffreddamento termoelettrico in applicazioni come l'elettronica, i veicoli elettrici e applicazioni ad alto contenuto tecnologico».

Il futuro dei materiali è realmente verde?
«Il futuro dei materiali si sta orientando sempre di più verso soluzioni cosiddette verdi, cioè ambientalmente sostenibili. La crescente consapevolezza dell'impatto ambientale dei materiali tradizionali e la necessità di affrontare sfide come un uso razionale delle risorse stanno spingendo verso lo sviluppo di materiali più ecologici derivanti da fonti rinnovabili. Rientrano in tale area i temi della biodegradabilità, del riciclo, materiali per batterie ad alta efficienza ed energia solare, che possono contribuire alla riduzione delle emissioni di carbonio, il ricorso a materiali più leggeri. La riduzione del peso è importante per migliorare l'efficienza e ridurre l’impatto in settori come l'aerospaziale, l’automotive e i trasporti in generale. Assumendo a titolo di esempio il tema dei contenitori in plastica monouso, è possibile tuttavia fare alcune considerazioni. Dal punto di vista tecnico, e per alcune applicazioni anche dal punto di vista normativo, la sostituzione di contenitori in plastica monouso con prodotti in plastica integralmente riciclata è in fase di evoluzione. L’utilizzo di miscele plastica vergine/plastica riciclata è attualmente la strategia migliore in grado di assicurare ai produttori un sufficiente controllo delle caratteristiche tecniche dei prodotti finali. L’utilizzo integrale di plastiche riciclate ancora non è in grado di fornire prodotti validi a causa della disomogeneità delle caratteristiche di differenti lotti di plastiche da riciclo. Gli attuali studi vanno nella direzione di realizzare prodotti validi integralmente con plastica riciclata, ulteriormente riciclabili».

Che tipo di prodotti?
«Esistono contenitori/imballaggi riutilizzabili ad esempio in vetro, in carta/cartone, ma essi non sono attualmente competitivi rispetto ai contenitori/imballaggi monouso sia per il loro impatto energetico (vetro) che per la limitazione nell’essere in grado di assicurare che il prodotto confezionato conservi nel tempo le sue caratteristiche (cartone), arrivando al consumatore senza aver subito alterazioni delle proprietà chimiche o organolettiche o contaminazione batterica. La sostituzione di contenitori/imballaggi monouso con prodotti riutilizzabili non costituiti da plastica è tuttavia già attuabile per specifiche applicazioni nelle quali le prestazioni del contenitore/imballaggio non rappresentano un ostacolo (contenitori per prodotti sfusi). Questa metodologia può essere applicata solo per la distribuzione locale e non ad ampio raggio. Un’altra possibilità per la sostituzione delle plastiche tradizionali monouso è l’utilizzo di plastiche ottenute da fonti rinnovabili e biodegradabili (bioplastiche), il cui utilizzo si sta diffondendo con una velocità elevata. Tuttavia, per molte applicazioni nelle quali al contenitore/imballaggio sono richieste specifiche proprietà (ad esempio proprietà barriera ai gas) e l’utilizzo di bioplastiche incontra ancora delle limitazioni tecniche e di costo. Per tali applicazioni, quindi, sono ancora necessarie attività di sviluppo per rendere tecnicamente competitive le bioplastiche rispetto alle plastiche tradizionali. I costi più elevati dipendono da due fattori: a) costo più elevato delle materie prime (bioplastiche rispetto alle plastiche tradizionali); b) necessità di investire in ricerca ed innovazione per rendere tecnicamente competitivi, in termini di prestazioni, i bio-contenitori/imballaggi rispetto all’uso di polimeri tradizionali».

Possono i compositi aiutare la transizione nell’elettrico e il loro impiego aumenterà negli anni?
«I materiali compositi possono svolgere un ruolo significativo nella transizione verso veicoli elettrici e nella promozione di sistemi di trasporto più sostenibili in generale. Il loro impiego genera vantaggi, tra cui la riduzione del peso ed una possibile maggiore efficienza energetica. I compositi a matrice polimerica sono noti per la loro leggerezza e la loro elevata resistenza meccanica. In sostituzione dei materiali tradizionali più pesanti, si può ridurre il peso complessivo dei veicoli e tale riduzione migliora l'efficienza energetica dei veicoli elettrici, poiché è richiesta meno energia per muoversi e possono essere percorse distanze maggiori con una singola carica. L’alta resistenza meccanica dei compositi può permettere di progettare con design aerodinamico più performante ed anche questo ha come effetto un miglioramento della efficienza energetica del veicolo. La combinazione di peso, forma e resistenza rappresenta un elemento di grande interesse per l’uso di questi materiali».

Quanto è importante il connubio università aziende nel mondo dei materiali? 
«Il connubio tra università e aziende è di grande importanza in generale e nello specifico nel mondo dei materiali. La collaborazione può portare a numerosi vantaggi, accelerando gli sviluppi scientifici e tecnologici. Lo scambio di conoscenze, la possibilità di accesso alle strutture di ricerca, sviluppo, caratterizzazione presenti nelle Università, le attività di formazione sono tutti elementi che favoriscono il processo di trasferimento tecnologico, indipendentemente dal paradigma, o dai paradigmi, di innovazione assunti a riferimento. La collaborazione tra il mondo della ricerca in generale, università ed enti pubblici di ricerca, e quello delle aziende nel mondo dei materiali è cruciale per promuovere l'innovazione, sviluppare nuovi materiali, trasformare le scoperte scientifiche in applicazioni reali, generare nuove aziende. Diverse sono le modalità attuative di un approccio collaborativo, dai laboratori congiunti ai partenariati pubblico-privato. L’obiettivo è comunque quello di creare un ecosistema di innovazione in cui ciascun attore, portando le proprie competenze e nel rispetto della propria missione, possa attivamente contribuire a tradurre le conoscenze in esempi concreti, superando le spesso esistenti diversità di linguaggio, implicite nella differenza dei ruoli, che possono costituire un ostacolo non tanto per il mondo delle grandi aziende, quanto per quello delle PMI di cui il tessuto italiano è particolarmente ricco. Fattore cruciale è quello di sviluppare relazioni consolidabili e consolidate e non ricorrere a collaborazioni esclusivamente puntuali in modo che si possa alimentare il circolo virtuoso tra domanda di ricerca ed offerta di ricerca».

CHI È

Teodoro Valente è docente di Scienza e Tecnologia dei Materiali e Aerospace Materials presso l’Università La Sapienza di Roma. Laureato in Ingegneria Meccanica, master MBA presso l’Università LUISS, già visiting Scientist presso l’Osaka National Research Institute ed esperto nazionale distaccato dal MUR per le azioni europee COST nell’Area Materiali. Direttore prima e Presidente poi del Consorzio Interuniversitario Nazionale sulla Scienza e Tecnologia dei Materiali. È stato Direttore del Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente, Pro Rettore alla Ricerca Innovazione e Trasferimento Tecnologico di Sapienza e Presidente del Centro Nazionale di competenza Cyber4.0. Attualmente dirige l’Istituto per i Polimeri Compositi e Biomateriali del Consiglio Nazionale delle Ricerche. Responsabile di diversi progetti di ricerca, anche in collaborazione pubblico-privato. L’attività scientifica ha coperto settori relativi alla Scienza e Tecnologia dei Materiali, alla Chimica Applicata ed ai Fondamenti Chimici delle Tecnologie dei Materiali. Autore di più di 180 pubblicazioni e di due brevetti internazionali. Editor in Chief della Rivista “Journal of applied biomaterials and functional materials”; ha ricevuto nel 2013 il Premio Marco Polo della Scienza Italiana, conferito dall’Istituto Italiano di Cultura in Osaka con il Patrocinio dell’Ambasciata d’Italia a Tokyo. Il 29 maggio 2023 è stato eletto presidente dell'ASI (Agenzia spaziale italiana).