I MATERIALI CHE NON C’ERANO. INVENZIONI E SCOPERTE

 

FRANCESCO MAMBRETTI

Buongiorno, benvenuti a tutti a questo incontro dal titolo “I materiali che non c’erano, invenzioni e scoperte” e benvenuti al Meeting di Rimini. Nella storia dell’uomo tante epoche sono state caratterizzate anche come nome da un determinato materiale. Se ci pensate, l’età del rame, l’età del bronzo, l’età del ferro, rispettivamente 6.000 anni fa, 4.500 e circa 3.000 anni fa. In particolare, perché si chiamano così queste epoche? Perché un certo materiale prendeva piede, si imparava a lavorarlo, a utilizzarlo, a conoscerlo. I tempi di queste trasformazioni in passato erano più lenti. Passavano magari secoli prima che il bronzo prendesse il posto del rame. Se pensate a quello che succede ora, la tempistica è nettamente differente, è molto più rapida. I tempi di queste trasformazioni sono velocissimi. Pensate al fatto che la plastica, che ha preso piede da qualche decennio, ormai permea le nostre vite in modo che difficilmente potremmo farne a meno. La tecnologia cambia tantissimo il ritmo. Pensate a farmaci, materiali creati in laboratorio che non esistevano, oppure materiali disegnati apposta per rispondere a bisogni specifici: catalizzatori, nanoparticelle. Ce n’è davvero di tutti i tipi. Pensate a una lega metallica come l’acciaio, che è un mix creato apposta con ferro e una piccola parte di carbonio. Senza l’acciaio la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. C’è anche un controllo molto fine dal punto di vista di queste tecnologie. Cambiando di pochissimo la frazione di carbonio che lega con il ferro, non ho più l’acciaio. Materiali superconduttori che lavorano a temperature bassissime e consentono diagnostica medica di altissima precisione o esperimenti internazionali come il CERN. Dal punto di vista della conoscenza e della manipolazione, l’uomo è capace di ingegnerizzare, modificare, conoscere i materiali oggi alla scala degli atomi e questo apre territori e possibilità inesplorate o solo parzialmente esplorate e che solo un secolo fa non erano nemmeno immaginabili. La nostra percezione delle cose di solito è quella macroscopica. Eppure vedremo oggi con i nostri ospiti che c’è anche un legame molto profondo tra come è fatta la materia alla scala degli atomi e quali sono le proprietà dei materiali che tutti i giorni caratterizzano la nostra esistenza. Per provare a entrare in questi temi, sia dal punto di vista di come funzionano alcune di queste cose di cui vi ho raccontato, sia dal punto di vista di che cosa implichi tutto ciò in termini di conoscenza scientifica, di nostra cultura, di nostro comportamento, abbiamo due ospiti, sarebbero dovuti essere tre. Il professor Liberato Manna purtroppo non può essere presente. Il professor Liberato Manna dell’Istituto Italiano di Tecnologia è bloccato in Canada dallo sciopero dei dipendenti di volo più grosso della storia del Canada. Ottimo era stato nel 1985, quindi è particolarmente sfortunato, ma chi di voi vuole potrà ascoltarne domani l’intervento qui di fianco in A5, in collegamento, nello spazio della mostra curata dall’associazione Euresis. Invece, fortunatamente, sono con noi in carne ed ossa il professor Marco Beghi, professore di fisica della materia al Politecnico di Milano, del quale la regia dovrebbe disporre le slide perché temo che ci siano le altre, e la professoressa Silvia Gross, che è professoressa ordinaria di chimica inorganica presso l’Università di Padova e Mercator Fellow presso il Karlsruhe Institute of Technology in Germania. Grazie per essere con noi. Farò una domanda a ciascuno di loro, chiedendo magari di caratterizzare l’inizio del vostro intervento con qualche nota personale, raccontando di che cosa vi occupate, magari che cosa vi appassiona del lavoro che fate, per poi entrare nel dettaglio di due tematiche specifiche in particolare. Marco, ti chiedo: partiamo dall’inizio, che cos’è un materiale, che cosa determina la sua diffusione e soprattutto, per riprendere il titolo, un materiale si inventa o si scopre? Grazie.

MARCO BEGHI

Grazie dell’invito, anzitutto. Solo per darvi due coordinate, io ho un curriculum un po’ misto, nel senso che sono un ingegnere di laurea. Faccio in università un lavoro da fisico, da fisico dei materiali. Mi occupo prevalentemente di film sottili, di misura delle proprietà dei film sottili. Ora, come ben sapete, il titolo del Meeting di quest’anno è “Costruiremo con mattoni nuovi” e questo ha sollecitato la nostra associazione Euresis a fare questa mostra “Homo Faber” in cui l’accento è sui mattoni nuovi e quello che io vorrei fare in questo intervento introduttivo è, come dire, metterli un po’ in prospettiva, nel senso di leggere con più interezza la frase che è “costruiremo con mattoni nuovi” e quindi i mattoni nuovi servono appunto a costruire. In questa slide vedete la partenza, sono in generale materie prime naturali, quindi il dato di natura che abbiamo. Dopodiché vedete sulla seconda riga le materie che alcuni chiamano seconde, di cui ci parlerà Silvia, la possibilità di utilizzare materiali che non vengono da una miniera, ma vengono da quelle che lei chiama la “miniera urbana”, cioè gli oggetti che sono scartati. In questa slide quelle frecce viola sono tecnologie dalla materia prima. La materia prima in genere non è ancora un materiale utilizzabile. Serve una tecnologia per renderlo un materiale utilizzabile e a sua volta il materiale è l’input per altre tecnologie che servono a produrre, li ho indicato strutture, dispositivi, quant’altro. Un materiale viene utilizzato se ha le proprietà utili per assolvere certe specifiche funzioni. Anzi, di solito il materiale che si utilizza è quello che ha il ragionevole compromesso tra diversi requisiti, diversi requisiti che non di rado sono contrastanti. Il materiale utilizzato con successo se trova un ragionevole bilanciamento fra questi requisiti. Sia il materiale sia i prodotti finiti, strutture, dispositivi, eccetera, sono esito di una tecnologia, cioè sono dei prodotti industriali e quindi vengono valutati nel modo con cui vengono valutati i prodotti industriali. I criteri sono l’efficacia e l’efficienza, l’economicità, la sostenibilità che è un criterio che fino a 50 anni fa era completamente ignorato e invece diventa sempre più rilevante. Altri criteri, comunque, sono criteri con cui si valuta un prodotto industriale e l’economicità è fra questi, anzi è uno di quelli importanti. Noi insegniamo agli studenti di ingegneria dei materiali che ci sono due settori nei quali vengono sviluppati e applicati i nuovi materiali che sono il militare e lo sport tempo libero, perché sono i due settori in cui l’economicità è secondaria. Nel militare è ovvio e nello sport libero altrettanto. Se venisse fuori che Sinner ha una racchetta di un materiale particolare, chi non la comprerebbe perché costa troppo? Nessuno. Quindi questi due sono un po’ i settori principe. Il successo o l’insuccesso di un materiale è determinato certamente dalle proprietà intrinseche. Dicevo prima che il materiale abbia le proprietà che gli permette di far fronte a certi requisiti, ma altrettanto è determinato dalla tecnologia. La tecnologia che c’è a monte che permette di produrre il materiale, la tecnologia che c’è a valle che permette di poi ottenere i prodotti finiti. Ci sono nella storia parecchi esempi di materiali interessanti che hanno proprietà molto interessanti e che poi non hanno sfondato perché o a livello di tecnologie di produzione, di utilizzazione, non si è ottenuta una tecnologia pienamente adeguata. Tra l’altro, Liberato, che non c’è, quando si va sui nanomateriali è chiaro che quasi tutto diventa determinato dal modo con cui si assembla il materiale. Come già Francesco ricordava, piccole differenze nel processo produttivo a volte sono sufficienti a determinare il fatto che un materiale sia utilizzabile oppure no. Tanto per cominciare da un esempio forse non ovvio, quando parliamo di “materiali per costruire” pensiamo a materiali solidi. Non è affatto detto. Partiamo da un materiale gassoso, certi gas tecnici. In diversi processi si utilizzano dei gas che entrano come reagenti chimici. Per esempio, nell’industria dei semiconduttori ci sono parecchi processi in cui certi elementi vengono fatti diffondere in un substrato. Qui l’esempio è una fetta di silicio, la base per moltissime tecnologie elettroniche. In alcuni processi in una camera ad alta temperatura viene messo un gas e questi atomi penetrano, diffondono nel substrato. Questo fa sì che a volte penetrano per uno straterello piccolissimo, a volte un decimillesimo di millimetro, ma questo è sufficiente per dare a quello straterello le proprietà che determinano il funzionamento del dispositivo. In questo senso anche quel gas è un materiale da costruzione. Dei gas ci sono diverse varianti, qui ho indicato solo la tabellina, diversi gradi di purezza. I 99,99… quanti nove vengono chiamati in base a quanti nove ci sono. Questo è un tipico esempio del fatto: se serve un gas che è a 6 nove, quindi ha una parte per milione di impurezze. Se in quel gas lì ci fossero 10 parti per milione, sarebbe sufficiente dire per quello specifico processo non è adatto. Per passare a un altro materiale che pure è materiale da costruzione in tanti altri processi, adesso ci focalizziamo invece su due processi in cui non è un materiale da costruzione. L’acqua. L’acqua è ciò che sgorga da una sorgente. Sappiamo tutti che cos’è l’acqua, ma l’acqua che esce dal nostro rubinetto è un prodotto industriale. Poi dopo menzionerò un altro prodotto industriale che è acqua, che è utilizzata in un altro contesto. Perché è un prodotto industriale? Perché qui menziono il fatto che l’acqua che beviamo deve essere soggetto a tutta una serie di controlli e anche di manipolazioni o di processi che ne correggono le proprietà.

Per non dimenticare il fatto che semplicemente l’impianto che ci porta l’acqua al rubinetto, se pensate a tutta la rete dell’acquedotto, è un impianto industriale di prima grandezza. C’è un’altra applicazione dell’acqua nelle centrali termoelettriche, quelle basate sulla turbina a vapore. C’è una caldaia. Grazie, sono arrivati i soccorsi. C’è una caldaia che scalda l’acqua che quindi diventa vapore ad alta pressione, ad alta temperatura. Questo vapore aziona la turbina che poi aziona il generatore che ci dà l’elettricità. Nelle locomotive a vapore il vapore ormai esausto veniva buttato fuori dallo sbuffo della locomotiva. Invece nelle centrali questo vapore viene raccolto, viene nuovamente condensato in acqua e torna in caldaia e continua a ciclare. Anche quest’acqua è un prodotto industriale, un prodotto materiale diverso dall’acqua potabile. In particolare l’acqua potabile ha dovuto vedere il cloro per certi processi di sanificazione e se l’acqua potabile la mettessimo nella caldaia, nella centrale, a causa di questi residui di cloro nel vapore ad alta temperatura, avrebbe degli effetti corrosivi disastrosi. Così come magari invece nell’acqua della centrale a vapore sono tollerati certi residui organici che renderebbero l’acqua non potabile. Quindi la stessa acqua d’origine dà luogo a due prodotti industriali diversi e non intercambiabili. Se si parla di acqua non si può non parlare del vino. Il vino in prima istanza è acqua pura all’85%. In seconda approssimazione il vino è una miscela di acqua e alcol etilico pura al 99%, forse anche al 99,5%, questo non so. Questo vuol dire che la differenza tra un vino, un vino sfuso corrente e un Barolo d’annata, si gioca tutto in quell’1% o forse mezzo% che determina tutta la differenza. Un altro esempio che facciamo riguarda invece i semiconduttori. Tutti i CIP, i circuiti integrati, la grande maggioranza di quelli che usiamo, sono costruiti sul silicio. Una quarantina d’anni fa molti dicevano: “Guardate che il silicio sarà soppiantato dall’arsenuro di gallio”, perché l’arsenuro di gallio, che pure è un semiconduttore, nell’arsenuro di gallio la mobilità degli elettroni è maggiore e si ottengono dei dispositivi più veloci. C’è chi diceva il silicio è destinato a essere soppiantato. Questo non è avvenuto. Perché non è avvenuto? Beh, perché dall’arsenuro di gallio, che è un composto a livello, invece il silicio è un materiale monoelementale, non si è riusciti a sviluppare la tecnologia di produzione dell’arsenuro di gallio a svilupparla così tanto da avere dei cristalli così perfetti e fatti su scala così grande. Quindi l’arsenuro non ha soppiantato il silicio e come si è invece ottenuto l’obiettivo che c’era, che era quello di rendere i dispositivi più veloci? Sviluppando invece la tecnologia di costruzione dei dispositivi sul silicio, in particolare rendendo i dispositivi sempre più piccoli. È ovvio che avere i dispositivi più piccoli è ciò che ha permesso di passare, che so, dai primi telefoni portatili che erano dei macchinoni abbastanza grossi e adesso li abbiamo in un orologio. Certamente c’è l’effetto della miniaturizzazione. Ma l’altra spinta alla miniaturizzazione è che il dispositivo più è piccolo più è veloce per due motivi essenzialmente. Uno è che il segnale deve viaggiare per un percorso più breve per andare da un dispositivo all’altro e in secondo luogo i singoli dispositivi. Adesso passatemi l’analogia: il dispositivo deve riempirsi una certa quantità di carica per raggiungere una certa tensione e così si accende o si spegne. Se il dispositivo è più piccolo, la quantità di carica che deve passare è più piccola e questo può avvenire in un tempo più breve. Per cui vedete il grafico che dice qual è la densità dei dispositivi, in particolare questi sono per transistor nel corso degli anni e vedete all’estremità della curva che ormai è già in parte superata perché vedete che la figura finisce il 2020. Il numero è 10⁸, cioè 100 milioni, 100 milioni di transistor su 1 mm². Questo è quello che si è ottenuto ed è questo che sta sotto al fatto che i dispositivi lavorano sempre più rapidamente. Per tornare un po’ al titolo di questo incontro, “invenzione o scoperta”. La scoperta è la scoperta di un fenomeno nuovo che tipicamente è imprevisto. È qualcosa che nessuno cercava perché nessuno immaginava che esistesse. L’esempio che cito sotto e che è ben dettagliato nella mostra è la superconduttività. Nessuno immaginava che esistesse la superconduttività. Kamerlingh Onnes, essendo stato il primo a liquefare l’elio, andando a misurare la resistenza a temperature sempre più basse, ha scoperto, cosa che non si aspettava, che a un certo punto la resistività elettrica crolla a zero. Questa è una pura scoperta, tra l’altro resa possibile da un avanzamento tecnologico, perché questo è stato reso possibile dal fatto che lui era riuscito a liquefare l’elio, cosa che nessun altro prima era ancora riuscito a ottenere.

Una volta che si è scoperto il fenomeno, allora si apre tutto lo spazio dell’invenzione. L’invenzione perché punta a ottenere il fenomeno in modo magari più evidente, più riproducibile. Si apre tutto lo spazio per capirlo, comprendere il fenomeno, capire in quali condizioni si presenta e poi l’invenzione per utilizzarlo in modo efficace. Qui abbiamo già menzionato la scoperta della superconduttività, sulla quale ritorneremo fra poco. Pensiamo invece a un altro esempio in cui non è una scoperta imprevista, ma è l’esito tenacemente perseguito per decenni: i vetri sensibili, quelli dei touchscreen di tutti i nostri cellulari, tablet, eccetera. 40 anni fa o forse 50, ahimè, i terminali dei computer erano terminali testuali, cioè sullo schermo comparivano solo delle scritte e si interagiva col computer tramite delle scritte. Non c’era nessun bisogno di toccare lo schermo. Poi, sarà circa una quarantina d’anni fa, hanno cominciato, essenzialmente il Macintosh, ad avere l’interfaccia grafica potente. Nel momento in cui c’è una visualizzazione grafica potente, nasce l’idea di dire: ma se invece di digitare sulla tastiera qualcosa, tocco lo schermo è molto più semplice. Come si fa a farlo? Serve un vetro sensibile. Non c’era. Ci sono voluti decenni e non ho idea di quanti soldi siano stati investiti per riuscire a ottenere. In quel senso si può dire: “Quella è un’invenzione”, perché è l’esito di uno sforzo mirato, tenace per decenni. Tornando un po’ ai materiali per costruire, fino a pochi migliaia di anni fa i metalli non erano conosciuti, utilizzati. I materiali che c’erano erano il legno, la pietra, diverse forme di pietra, la terracotta. Ci sono testimonianze archeologiche di più di 20.000 anni fa che sono oggetti di terracotta. Era un mondo in cui erano questi essenzialmente i materiali solidi disponibili, non c’erano i metalli. Tra i primissimi metalli a essere utilizzati c’è stato l’oro. L’oro perché? Beh, perché l’oro, lo sappiamo tutti, è un materiale che non si ossida, non arrugginisce. Tant’è che in natura si possono trovare le pepite d’oro o le pagliuzze d’oro. Praticamente tutti gli altri metalli sappiamo bene che si ossidano, arrugginiscono, il che significa che in natura non si trovano pepite di ferro, pepite di alluminio, quando si fossero resistite sono già ossidate. Quello che si vede è il minerale. Il minerale che è tipicamente un ossido che contiene il metallo, ma che ha l’apparenza e la consistenza di una pietra. L’oro, siccome invece non si ossida, è disponibile, cioè non è così facile da trovare, ma si trovano le pepite o le pagliuzze. Questo cosa vuol dire? Che nel caso dell’oro, il primo passaggio, cioè passare dalla materia prima al materiale, fondamentalmente si salta. Sì, certo, l’oro va fuso, affinato, però fondamentalmente è già disponibile come oro. Provate a immaginare in un mondo in cui c’era solo legno, pietra o terracotta e un materiale come l’oro, duttile, lucente. Aveva una peculiarità tale per cui l’oro dall’inizio è stato prezioso non solo per la sua rarità, ma anche per le sue proprietà. Tra l’altro l’oro è troppo duttile, troppo morbido, non si può usarlo per fare uno strumento. Non potete fare un coltello d’oro, non ha il filo. Quindi, come dire, ha sempre seguito una sua traiettoria particolare, utilizzato per monili, per scopi decorativi e cose di questo tipo. Provate un po’ a immaginare invece la meraviglia di alcuni nostri antenati, possiamo solo cercare di immaginarlo, che avendo fatto delle fornaci, dei crogioli, quelle due foto che vedete sono alcuni di quelli che cercano di riprodurre le modalità preistoriche di produzione di alcuni materiali. Chi avendo fatto delle fornaci o dei crogioli, qualcosa per cuocere la terracotta, a un certo punto scopre che mettendoci alcuni sassi, magari un po’ strani, succede questa cosa strana che sotto la pietra o alla base della pietra nasce questo materiale liquido, caldissimo, ovviamente, e che poi solidifica e ha delle proprietà particolari. Tra l’altro il processo per cui questo avviene fondamentalmente è ancora lo stesso, lo stesso che si usa tuttora negli alti forni, perché si mette il materiale, il minerale, tipicamente un ossido, lo si mette finemente triturato, magari mescolato col carbone. Il carbone ha una doppia funzione. Da un lato brucia e quindi alza la temperatura, ma dall’altra è proprio un reagente chimico. Ad alta temperatura il carbonio strappa l’ossigeno dal metallo, rame o ferro che sia, e lascia il metallo cosiddetto ridotto, disponibile, fuso, quindi utilizzabile. In successione il primo metallo a essere stato utilizzato è il rame.

Tra l’altro, sapete bene, il rame si ossida relativamente poco. Tant’è che il rame lo utilizziamo per le scossaline o per le grondaie. In certe particolarissime formazioni geologiche è anche possibile trovare delle pepite di rame. Non sappiamo se l’utilizzo del rame è partito da alcuni casi particolari di pepite o dal minerale. Comunque, è stato il primo metallo che è stato usato. Anche il rame non è efficacissimo, è troppo tenero, per cui quella che vedete qua è un’ascia dell’uomo di Similaun, che è stato scoperto qualche anno fa, e aveva un’ascia di rame. Con il rame non si può fare una spada perché la spada è troppo lunga e il rame è troppo morbido, la spada si piegherebbe. Però, una volta scoperto che esistono delle pietre dalle quali lavorandole si può ottenere il rame, allora nasce lo spazio dell’invenzione e probabilmente provando e riprovando le condizioni migliori, magari anche gli ingredienti migliori, è stato scoperto il bronzo, rame e stagno, che è una lega più rigida. Per cui col bronzo si può fare una spada, una spada che tiene il filo. E poi ancora successivamente il ferro. Il ferro fonde a temperatura maggiore e quindi il passaggio al ferro è stato reso possibile da un miglioramento tecnologico, la realizzazione di fornaci che andavano a temperature più elevate. Tra l’altro, pensate i vantaggi che ha il metallo rispetto ai materiali che dicevamo prima. È chiaro che la pietra, se pensate, volete fare uno scudo, uno scudo in pietra, una bella lastra di granito, una protezione eccellente, non c’è freccia che lo possa scalfire. Dopodiché, voglio vedervi andare in battaglia portandovi come scudo una lastra di granito. Quindi il metallo ha questa tenacità, questa possibilità di essere lavorato in forme sottili e di offrire una quantità enorme di applicazioni che gli altri materiali non potevano offrire. Parliamo anche di altri materiali per costruire. Pietre e mattoni per costruire i muri. Le pietre di per sé uno dice: “Ma vanno benissimo, sono molto resistenti, sono solide, sono resistenti alle intemperie”, quindi vanno benissimo. Si possono fare i muri di pietre. Possiamo fare i muri di pietre grezze. Se facciamo i muri di pietre grezze, beh, ci sono alcuni problemi. Uno, come fate a fare un muro dritto con le pietre grezze? Secondo, nasce anche un problema di resistenza perché se voi mettete delle pietre grezze che sono tutte irregolari, dovete mettere una certa quantità di calce o fondamentalmente di calce che le lega e queste pietre grezze non appoggiano così bene l’una sull’altra, per cui il muro in realtà non ha la resistenza della pietra. Se viene caricato a un certo punto cede perché è la calce che lega le varie pietre che cede e quindi la resistenza del muro è senz’altro minore. Se le pietre le tagliamo, facciamo delle pietre regolari come quelle che qui indicate sulla destra, e queste appoggiano molto bene le une sulle altre, si prestano molto bene a costruire un muro. Però tagliare la pietra è un processo complesso, lungo e costoso. Che cos’è un mattone? Beh, un mattone è la possibilità di avere, diciamolo così, una pietra tagliata senza la fatica di tagliarla, perché la terracotta era già nota. Il mattone è terracotta che si lavora quando è fluida, quindi si lavora facilmente, si mette in uno stampo e poi cuocendola assume una, non è proprio resistente come una pietra, però ha una bella resistenza e quindi il mattone è la possibilità di avere una pietra tagliata in modo assolutamente regolare senza fare la fatica di tagliarla, che è uno dei vantaggi del metallo. Per motivi completamente diversi. Se noi facciamo uno stampo e coliamo il metallo nello stampo, otteniamo un oggetto della forma che vogliamo, lavorando il materiale allo stato liquido quando è più semplice. Questo è anche uno dei motivi del successo della plastica, perché la plastica è molto facile da lavorare allo stato fluido, quindi la plastica è un materiale con cui è molto facile ottenere oggetti di forma complessa, perché la si lavora allo stato fluido e poi assume completamente la sua solidità. Dopodiché le case non si costruiscono più con i mattoni. Il titolo del Meeting per certi versi è superato, perché le case adesso si fanno con i pannelli di cartongesso o meglio di fibrogesso. Perché? Ci sono caratteristiche migliori? Sì. Qualcosa di meglio. Sì, soprattutto c’è una maggiore possibilità di modulare le caratteristiche dei muri. Però qual è il vantaggio decisivo del fibrogesso rispetto al mattone? La tecnologia di costruzione che è molto più veloce rispetto a tirar su mattone, tirar su muro mattone su mattone. Installare dei pannelli di cartongesso, di fibrogesso, è molto più veloce. Se parlate con qualcuno del ramo, l’altro grosso vantaggio è che si ottiene senza acqua. Un muro fatto di mattoni poi ci mette dei mesi ad asciugare, veramente. Un muro fatto con il cartongesso non ha bisogno di questo tempo di asciugatura.

Io forse adesso mi fermerei qui. Ah, no, ecco, scusate. No, questo lo menziono perché è rilevante. Abbiamo parlato di superconduttori. Questa figura a sinistra è quella che c’è anche nella mostra, è quella originale di Kamerlingh Onnes che scopre che la resistenza elettrica del metallo a bassa temperatura praticamente scompare. Questa è la scoperta. Da lì si apre, dicevo, lo spazio dell’invenzione. Solo per darvi l’idea di cosa vuol dire l’invenzione, questi sono dei filamenti, dei fili di superconduttore. Non si può fare il filo semplicemente di superconduttore, a parte il fatto che deve essere raffreddato all’elio liquido, adesso con quella ad alta temperatura può magari bastare l’azoto o comunque è difficile. Ma soprattutto il filo puro di superconduttore è rischioso perché se per qualunque fluttuazione termica o di altro perde la caratteristica superconduttiva, allora improvvisamente tutta l’energia si scarica, si scalda e sostanzialmente diventa conduttore normale, succede un disastro. Quindi per realizzare un filo di superconduttore bisogna avere tanti filamenti di superconduttore annegati in un metallo come il rame, in modo che se uno dei filamenti ha un problema di conduzione, il rame immediatamente ridistribuisce la corrente sugli altri e quindi il filo è stabile. Questo è il filo che viene utilizzato per fare gli avvolgimenti, le bobine che ci sono, che sono usati al CERN e che saranno usati anche nel reattore ITER e che usano come superconduttore il niobio-tre-stagno. Il niobio-tre-stagno ha un problema, è un intermetallico, quindi è fragile e quindi se voi fate un filo, lo piegate, si spezza. L’avete perso. Per ottenere qualcosa di utilizzabile si fa quello che vedete. Quello che vedete qua a destra è la sezione di un filo, tra virgolette, di superconduttore. Se guardate la barretta è larga 1/5 di mm, quindi il diametro di quel filo è 0,85 mm. Dentro quel filo lì, questo è uno dei processi per farlo, non è l’unico, ci sono, lì vedete, 192 tubicini di niobio, ognuno riempito di polvere di stagno. Questo filo è flessibile, si avvolge, si ottiene l’elettromagnete, dopodiché si fa avvenire la reazione, diventa niobio-tre-stagno ed è stabile. La superconduttività è una scoperta, ma per fare un filo così, per riuscire a cacciare 192 tubicini dentro un filo di meno di 1 mm, è chiaro che questa è tutta invenzione, tecnologia. L’ultima slide solo con le conclusioni. Di queste ne possiamo parlare domani. Volevo solo riassumere. Anzi, dire: con la crescita da un lato della comprensione dei comportamenti, delle prestazioni richieste ai materiali e della capacità di manipolare la materia, la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali sono gradualmente passati dall’empirismo all’utilizzo sistematico di conoscenze e metodi. Questo è quanto. Grazie.

FRANCESCO MAMBRETTI

Ti ringrazio di aver descritto in modo così chiaro i vari passaggi, quindi state attenti la prossima volta perché in quello 0,5% c’è tutta la differenza tra un vino buono e uno meno buono. Ti ringrazio Marco anche per averci fatto capire quanto il singolo dettaglio conti. Io ero rimasto affascinato dalla storia del velcro, quello che si usa per chiudere le scarpe dei bambini, che esisteva già fatto con la stoffa, quando poi si è passati a farlo in fibra di nylon, quindi plastica sintetica, ha spopolato a livello industriale. È un dettaglio piccolissimo ma che può fare tutta la differenza. Ci addentriamo quindi nel guardare come sono fatti un po’ più dall’interno questi materiali. In particolare accennavo prima anche tu in questa descrizione finale di questa particolare lega superconduttiva. Dicevi alcuni dettagli di come sono fatti alla scala, non solo frazione di millimetro, ma anche alla scala atomica. La chimica conta tantissimo. In particolare la tecnologia che uno sviluppa magari per perseguire un determinato fine, per realizzare, facevi l’esempio dei vetri touchscreen, la tecnologia spesso ha bisogno di tempo, ha bisogno anche di creatività. È anche per questo che abbiamo invitato Silvia Gross. Ti chiedo Silvia, partendo anche nel tuo caso da raccontarci un po’ di cosa ti occupi, un po’ di descriverci l’approccio creativo di cui parlavamo prima anche a pranzo per andare a prendersi i materiali e le materie prime là dove effettivamente già ci sono, già dove vengono utilizzate. In particolar modo tu ti occupi di economia circolare e di tecnologie per l’economia circolare da chimica, quindi se riesci a illuminarci un po’ sul legame tra le proprietà chimiche di questi materiali e dei buoni modi, dei modi efficienti per recuperarli. Grazie.

SILVIA GROSS

Sì, grazie. Buonasera a tutti. Intanto, innanzitutto ringrazio Francesco e l’organizzazione, se si può proiettare, del Meeting per avermi invitato e voi per essere qui. Allora, sì, io sono chimico inorganico all’Università di Padova, mi occupo di sintesi di materiali con vari metodi di sintesi sostenibile, però ho anche l’onore, il privilegio di coordinare un corso di laurea che si chiama “Tecnologie sostenibili per l’economia circolare”. Quindi negli ultimi anni, anche grazie un pochino alla frequentazione di colleghi di altre aree disciplinari, ho iniziato anche ad occuparmi di recupero di quelle che si chiamano le materie prime critiche, di cui parleremo oggi pomeriggio. Rispetto al titolo dell’incontro di oggi pomeriggio “Materiali che non c’erano, invenzioni scoperte”, ho pensato un pochino di cambiare la prospettiva e di rovesciare un pochino il punto di partenza, cioè partire da materiali che c’erano, che stanno diventando scarsi o, come si dice in modo tecnico, critici, ma che è necessario recuperare, quindi quelle che si chiamano appunto le materie prime critiche. Inizieremo oggi introducendo che cosa sono queste materie prime critiche, soprattutto perché sono così importanti per quella che chiamiamo la transizione ecologica e poi anche quali sono gli strumenti metodologici, teorici, sperimentali per gestire questa criticità, come facciamo a rendercene, a intervenire, per esempio recuperando, riducendo, sostituendo. Poi vedremo anche che studiare è importante. Passeremo poi a un tema che Marco ha già accennato, quello delle miniere urbane in antitesi a quelle che sono le miniere naturali e poi vi mostrerò un pochino quali sono gli approcci per il recupero di queste materie prime critiche e anche un pochino quello che facciamo a Padova, prima di arrivare alla parte finale con le conclusioni, ma soprattutto con le sfide che rimangono aperte e sono tante e quali sono le prospettive per affrontare queste sfide.

Le materie prime critiche. Partiamo da un ragionamento che si allaccia un pochino a quanto detto dal precedente oratore. La nostra dipendenza dall’utilizzo dei materiali, degli elementi, dei composti chimici, è aumentata in modo esponenziale a partire dalla preistoria, dall’età del bronzo, fino poi alle rivoluzioni industriali. Come vedete da questa slide, la tecnologia che l’uomo ha sviluppato nei corsi dei secoli è diventata sempre più dipendente dai materiali, in particolare dai metalli. Questo è anche riflesso nell’incipit prodotto dal JRC. Il JRC è l’istituto di ricerca che ha varie sedi in Europa, una molto importante è Ispra sul lago di Como e che si occupa di produrre dati scientifici, tecnici che poi servono alla Commissione Europea per sviluppare le leggi e i regolamenti che poi vengono discussi, approvati dal Parlamento e dal Consiglio d’Europa. Il JRC in un report del 2023 inizia con una frase molto importante, molto significativa: “La transizione ecologica, la transizione energetica, quelle che noi chiamiamo le energie rinnovabili, è una transizione dei materiali”, che è un pochino quello che abbiamo visto in questa slide. Un sistema energetico basato sulle rinnovabili è molto più intensivo in termini di utilizzo di materiali, di metalli, rispetto alle energie tradizionali. Questa cosa è quantificata in modo interessante da questo grafico che vi confronta il contenuto di vari metalli, per esempio il rame e il cromo, in una macchina tradizionale con il motore endotermico rispetto ad una macchina elettrica. Come potete vedere, in una macchina elettrica c’è un contenuto di metalli e di materie prime critiche molto più elevato. Pensate che nella batteria di una macchina elettrica ci sono più o meno 80-90 kg di materie prime critiche rispetto allo zero delle macchine a motore endotermiche. In una macchina elettrica c’è anche un utilizzo importante di magneti, che sono anche questi delle materie prime critiche. Quindi se vogliamo le energie rinnovabili, dobbiamo considerare che ci servono molti materiali. Alle materie prime critiche, che adesso andremo a definire, l’Unione Europea dedica da parecchi anni un’attenzione molto costante e crescente. Di fatto, dal 2011 ogni 3 anni viene pubblicato un report dalla Commissione Europea che fa lo stato dell’arte sulle materie prime critiche dell’Unione Europea. Quindi il prossimo, per esempio, sarà nel 2026. Ma cosa sono le materie prime critiche? Le materie prime critiche vengono individuate dall’Unione Europea sulla base di due parametri fondamentali. Primo, l’importanza di queste materie prime critiche per le tecnologie considerate strategiche dall’Unione Europea, e poi vedremo quali sono. Il secondo, un rischio di interruzione dell’approvvigionamento che non vuol dire semplicemente che esauriamo le miniere da cui le materie prime critiche sono estratte. Significa anche che il rischio di approvvigionamento, l’abbiamo visto anche durante la pandemia, può essere dovuto anche a delle situazioni geopolitiche, tensioni politiche, anche perché, come vedremo successivamente, molte delle miniere delle materie prime critiche sono in paesi con cui non necessariamente abbiamo sempre rapporti idilliaci.

Dicevamo, il primo criterio è l’importanza per le tecnologie strategiche dell’Unione Europea che sono 15 e sono le energie rinnovabili, le telecomunicazioni e i dati, lo spazio e la difesa e l’industria e poi la mobilità elettrica e quindi le celle a combustibile, le batterie al litio, l’eolico, il fotovoltaico, i droni, i missili, i satelliti, la robotica, i cloud, i centri di calcolo e così via. Dicevamo, tensioni geopolitiche, situazioni non correlate alle miniere. Questa è una mappa che vi mostra quali sono i principali paesi che forniscono materie prime critiche a tutti gli altri paesi del mondo. Vedete, la Russia, la Cina ha il monopolio di una grande quantità di materie prime critiche, in particolare quelle che si chiamano le terre rare di cui parleremo successivamente. Questo crea un problema, vedete, l’Europa non è molto azzurra, crea un problema di resilienza e di risposta dell’Unione Europea. Questo problema dell’approvvigionamento, perché le industrie europee hanno bisogno delle materie prime critiche e quindi ogni 3 anni l’Unione Europea fa una lista di queste materie prime critiche. Questa è la lista del 2023 in cui sono stati introdotti anche quelle che si chiamano le materie prime strategiche, cioè per esempio il rame e il nichel. Il rame è un metallo che conosciamo tutti, il nichel, che non sono ancora critiche, ma considerato l’utilizzo molto massivo che viene fatto, per esempio nell’elettrificazione di questi, per esempio, del rame, potrebbero diventare critiche. In questa lista ci sono degli elementi, ci sono dei composti chimici, ci sono dei gruppi di elementi, per esempio le famose terre rare, il gruppo del platino e così via. C’è una cosa importante: questa lista non solo è dinamica, cambia ogni 3 anni, l’Unione Europea l’aggiorna, ma la notizia non proprio positiva è che dal 2011 al 2023 questa lista si è ingrandita molto, nel senso che il numero di materie prime critiche sta aumentando proprio perché ne aumenta l’utilizzo dovuto anche alla transizione ecologica di cui si parlava precedentemente. L’Unione Europea si è posto il problema: “Come facciamo noi europei che abbiamo così poche miniere a risolvere questo problema della criticità?”. Una risposta abbastanza efficace è arrivata nel 2023 con una proposta di regolamento che poi è diventato un regolamento ufficiale dell’Unione Europea nel 2024, che si chiama lo European Critical Material Act, che è un regolamento che pone per esempio come obiettivi dell’Unione Europea quello di diventare più resiliente, quindi per esempio di avere almeno il 25% delle materie prime critiche utilizzate in Europa derivanti da attività di recupero, quelle che Marco definiva le materie prime seconde, quindi riciclate. Un’altra cosa che è molto interessante e qui si apre una parentesi anche dell’impatto dell’attività mineraria, l’Unione Europea dice che dovremo riaprire le miniere che abbiamo chiuso 50 anni fa. Gran parte delle miniere italiane sono state dismesse, ma dovremmo ricominciare con le esplorazioni minerarie e l’attività mineraria in Europa. Quindi, per esempio, recentemente, forse avrete letto, sono stati scoperti, è stato scoperto un giacimento importante di terre rare in Norvegia e anche in Svezia, nei paesi scandinavi. Tra l’altro i nomi di alcune delle terre rare, per esempio l’erbio e l’itterbio, vengono proprio dalla toponomastica di Ytterby che è una località della Svezia, quindi ricalca un pochino l’origine. La parola che avete sentito sicuramente molto frequentemente anche nelle tensioni geopolitiche tra Russia, Ucraina con gli Stati Uniti, sono queste famose terre rare che non sono le materie prime critiche, sono un sottoinsieme delle materie prime critiche. In particolare sono questi 17 elementi della tavola periodica che hanno delle proprietà soprattutto di natura ottica, di luminescenza e magnetica molto importanti. Per esempio, le turbine eoliche funzionano con dei materiali a base di ferro, neodimio, boro, dove il neodimio è una di queste terre rare. Come facciamo ad affrontare dal punto di vista tecnico, tecnologico, scientifico la criticità? Beh, ci sono varie strategie. Una è quella di rimettersi a studiare la reattività degli elementi, la chimica inorganica degli elementi, proprio perché rappresentano uno strumento fondamentale. Naturalmente, non a caso sono qui, sono un chimico inorganico, studiando cosa? La chimica, vedete che tutte quelle colorate sono materie prime critiche all’interno della tavola periodica.

Cosa possiamo fare dal punto di vista pratico per ridurre la nostra dipendenza da paesi terzi che esportano le materie prime critiche e che non sono molto spesso in eccellenti rapporti con i paesi europei? La prima cosa è, per esempio, di progettare i materiali, dispositivi, prodotti in modo tale da, per esempio, estendere la vita utile del materiale o del prodotto o minimizzarne l’utilizzo. Quindi non c’è solo il concetto di non cambiare il cellulare o il tablet ogni 2 anni e cercare di ridurre il nostro utilizzo di materie prime critiche, ma anche di progettare i cellulari, tablet, gli oggetti che usiamo nella vita di tutti i giorni in modo tale da minimizzare il consumo di queste materie prime critiche. Poi c’è la tematica, ad esempio, un esempio qui di questa sferetta, di questa nanoparticella è una particella “core-shell”. Qual è il concetto della particella “core-shell”? Pensate ad un’arancia con l’interno e la buccia, dove invece di fare tutta l’arancia fatta di una materia prima critica che, oltre a costare tanti soldi, è critica, si fa l’interno di un, per esempio, di un metallo più abbondante e si fa solo il guscio, solo la buccia dell’arancia della materia prima critica in modo da non perdere le proprietà interessanti di quella materia prima critica, ma non consumarne tanto. Poi c’è un’altra tematica interessante che è quella della sostituzione. Probabilmente avete sentito parlare delle batterie al sodio che dovrebbero in prospettiva sostituire le batterie al litio. Il litio è un elemento molto critico, il sodio invece è molto più abbondante. Qui ci scontriamo con una questione di sostituire un elemento, un metallo con un altro elemento, un metallo più abbondante, però mantenendo le proprietà e le prestazioni dell’elemento critico. Quindi anche qui serve una conoscenza molto importante della chimica, delle proprietà chimico-fisiche degli elementi. Poi c’è la tematica veramente rilevante del recupero e del riciclo che vedremo successivamente. Sul ruolo della chimica inorganica per la valorizzazione, per il recupero, per esempio, riciclo, la sostituzione, la riduzione dell’utilizzo delle materie prime critiche, c’è una letteratura molto vasta. Con un collega dell’Università di Gießen, Klaus Müller-Buschbaum, abbiamo fatto gli editor di una collezione di articoli proprio dedicate a questa tematica in cui il recupero delle materie prime critiche era uno degli argomenti più ricorrenti. Ma in generale, vedete, c’è un fiorire di letteratura scientifica su questa tematica. Anche perché la chimica, in particolare quella che si chiama la chimica inorganica, che possiamo semplificare dicendo che è quella che si occupa dei metalli, della loro reattività, rappresenta uno strumento metodologico e anche sperimentale molto importante proprio per non solo riciclare i metalli dai rifiuti, come accennava Marco, ma anche, per esempio, per trovare dei metodi meno impattanti per disciogliere i metalli da una matrice che ne contiene, che ne contiene vari. Quindi il ruolo della chimica inorganica. Quando bisogna riciclare, recuperare dei metalli a partire da un rifiuto industriale, da uno scarto, c’è una prima fase che prevede soprattutto dei passaggi di natura meccanica. Si prende l’oggetto, per esempio, considerate il vostro telefonino. Viene disassemblato, viene smontato nelle varie parti. Poi c’è una fase, una parte in molti casi di macinazione, di quella che si chiama comminuzione, quindi si riduce la taglia di questi materiali riducendoli anche in polveri che poi possono essere anche settacciate. Poi si procede ad una fase di arricchimento della componente metallica attraverso vari approcci che sono, per esempio, la separazione per densità, piuttosto che l’uso di calamite, di magneti, se sono materiali di natura magnetica. Insomma, ci sono vari approcci. Dopodiché, una volta che si è arricchita la componente metallica, ci sono degli approcci che si chiamano pirometallurgia, idrometallurgia, metodi elettrochimici, che ci consentono poi di separare, di tirare fuori questi metalli da queste matrici che sono in generale eterogenee, non ne contengono solo uno, poi magari c’è anche ancora qualche residuo di parte plastica e così via. Qui vedete la pirometallurgia significa fondamentalmente utilizzare temperature molto alte, generalmente superiori a 1000°, per fondere i metalli e poi passare ad una fase di raffinazione. Mentre invece il metodo più chimico, è quello dell’idrosolvometallurgia, dove utilizziamo delle sostanze in molti casi anche molto aggressive, molto corrosive, per esempio l’acido nitrico, l’acido solforico, l’acido cloridrico, per sciogliere i metalli e poi separarli. La fase finale può essere anche effettuata attraverso dei processi basati su quelle che si chiamano l’elettrodeposizione, basati sull’utilizzo di correnti elettriche.

Quindi vedete che i vari approcci sono allo stato dell’arte, vengono già usati, però presentano tutti dei pro e dei contro, dei vantaggi. Alcuni sono più intensivi in termini di uso di energia. La pirometallurgia richiede molta energia perché dobbiamo andare a temperature molto elevate. Di contro, l’idrometallurgia produce delle quantità molto elevate di acqua che è contaminata da questi agenti liscivianti molto acidi o molto aggressivi. Quindi ci sono dei pro e dei contro per tutti i vari metodi. Qua iniziamo a parlare di quello che accennava prima Marco, la tematica interessante di quelle che si chiamano le miniere urbane. Cosa sono le miniere urbane? Le miniere urbane sono fondamentalmente quelle che noi chiamiamo le riciclerie, l’isola ecologica. Quelle dove il cittadino diligente va a conferire quelli che si chiamano i RAEE, i rifiuti di natura elettrica o elettronica che abbiamo in casa: il phon, il frullatore, il telefonino, il tablet. Il frigorifero c’è un’altra questione, se lo viene a prendere la ditta che lo ha prodotto e si occupa dello smaltimento. Comunque, in queste miniere urbane che sono poi naturalmente sottoposte a tutta una serie di regolamenti e non è casuale il conferimento, raccogliamo tutti questi rifiuti che hanno dei vantaggi molto importanti perché contengono quantità rilevanti, in generale, di materie prime critiche, ma anche di altre tipologie di materiali. Quindi la miniera urbana, in antitesi alla miniera naturale, è una riserva di scarti di natura antropica che si accumulano negli anni e ha un vantaggio fondamentale rispetto alle miniere di terre rare di cui ha il monopolio la Cina. Le miniere urbane sono nelle nostre città, sono vicino a noi, sono qualcosa che possiamo utilizzare noi europei senza dover dipendere da paesi terzi. La questione delle miniere urbane è molto importante per tre o quattro motivi che adesso andremo a enucleare. Il primo è che questi rifiuti RAEE, che poi dividiamo in piccoli elettrodomestici, grandi elettrodomestici, dispositivi elettronici, sistemi di illuminazione, quindi neon, le lampadine e così via, li produciamo in quantità rilevante. Ogni cittadino europeo, questi sono dati italiani, ogni cittadino italiano produce circa 6 kg di RAEE all’anno, senza contare, e qua stendiamo un velo pietoso, tutto quello che teniamo a casa nei cassetti, il cellulare che è lì da 10 anni e che non abbiamo voglia di portare in ricicleria. Quindi quantità importanti di materiali. Poi c’è una seconda considerazione che è ancora più importante. Quando voi estraete una tonnellata di roccia da una miniera, a causa di una progressiva diminuzione del grado di presenza di metalli all’interno dei minerali, delle rocce, delle miniere, estraete nella migliore delle ipotesi, da questa tonnellata di roccia, riuscite a tirare fuori qualche grammo di oro, qualche grammo di argento e per metalli più abbondanti, tipo il rame, qualche chilo. Quindi tutti gli altri 999 kg rimangono lì. Rifiuto importante. Viceversa, se noi fossimo in grado di valorizzare tutte le componenti metalliche all’interno di un telefonino che pesa 2-300 g, quindi avete piccole quantità di ogni singolo metallo, ma da una tonnellata di telefonini saremmo in grado di ricavare una quantità di metalli che è 100 volte più elevata della quantità di metallo che trovo nella roccia da miniera. Quindi concentrazioni molto importanti, quindi un incentivo anche economico importante a valorizzare gli scarti RAEE. Questo è il primo motivo. Secondo motivo, abbiamo detto le miniere ce l’abbiamo qua e hanno concentrazioni metalli molto elevate. Vedete, 100-150 volte più elevate delle rocce. Terzo motivo, l’estrazione mineraria da miniera comporta un impegno, un consumo energetico molto elevato e una produzione di acque di lisciviazione molto elevate, che sono invece molto più basse se invece questi metalli li estraiamo da quelli che si chiamano gli “scrap”, che sono i residui, i rifiuti. Quindi ricavare metalli dai rifiuti costa molta meno energia e produce molta meno acqua reflua di scarto rispetto all’estrazione degli stessi metalli dalla miniera. Quindi abbiamo visto, ce l’abbiamo in città, concentrazioni 100 volte più elevate rispetto ai minerali da miniera, consumo energetico più basso, produzione di acque reflue molto più basso. Lo sfruttamento delle miniere urbane è una potenzialità molto importante. Dopo vedremo quali sono i problemi. Allora, abbiamo visto, l’Europa ha solo un’opzione, visto che a parte quei pochi giacimenti che abbiamo trovato in Svezia, in Norvegia, nei paesi scandinavi, adesso si stanno ricominciando le esplorazioni minerarie anche in Italia. Però il problema delle miniere è che poi l’estrazione mineraria, abbiamo visto, da una tonnellata di roccia, prendiamo qualche kilogrammo di roba utile.

Tutto il resto lo lasciamo lì. Quindi anche l’impatto dell’estrazione mineraria è qualcosa che va preso in considerazione e quindi la tematica è ricavare questi metalli dai rifiuti che non sono solo i RAEE, possono essere anche per esempio le automobili a fine vita, piuttosto che le turbine, cioè tutto quello che viene buttato, per così dire. Qual è il problema tecnologico importante? È che in un telefonino non è che voi avete l’oro, avete l’oro insieme all’alluminio, insieme al carbonio, insieme al silicio, insieme allo stagno, insieme al rame. Quindi una tematica importante è che, come vedete, la composizione dei RAEE è molto eterogenea. Ci sono delle parti in plastica, ci sono delle parti cosiddette di materiali ceramici che non sono le ceramiche che avete in casa, sono materiali refrattari che resistono a temperature elevate e poi ci sono tanti metalli in quantità molto piccole. Per esempio, nel vostro telefonino ci sono un numero di elementi della tavola periodica, di cui molti critici, che vanno dai 30 ai 40, a seconda della tipologia di telefonino. Quindi la tematica è: “Vabbè, sciolgo le parti metalliche nel telefonino, ma poi come le separo?”. Perché alla fine io non è che voglio la soluzione con 30 metalli tutti insieme, io voglio separare l’oro dall’argento, dal rame, dall’alluminio e così via. Quindi la tematica della selettività, cioè di come separare in modo selettivo i vari elementi. Adesso non vi annoio con una lezione di chimica, però ci sono i chimici che stanno sviluppando, questo è un articolo allo stato dell’arte di Jason Love, stanno sviluppando delle molecole che sono in grado di catturare in modo selettivo solo uno dei metalli. In questo caso qui Jason Love era riuscito a estrarre da scarti di telefonino l’oro in modo selettivo rispetto agli altri metalli presenti, abbiamo visto, nel vostro telefonino. Quindi la tematica della selettività. Perché dicevo prima studiare? Perché bisogna studiare quali sono le molecole leganti più efficaci per separare in modo selettivo i vari metalli. Qualcosa lo stiamo facendo anche a Padova nella tesi di dottorato di Pietro Stellari. Pietro si occupa del recupero del rame. Il rame è attualmente un metallo considerato strategico, non ancora critico, ma lo diventerà perché serve dappertutto il rame nell’elettrificazione, in tutta una serie di applicazioni. L’80% del rame che usiamo viene estratto da miniera, il 17% viene estratto da rifiuti industriali, scarti, dall’ottone dismesso, insomma da tutta una serie di rifiuti. Tuttavia, la produzione primaria, quindi da miniera, non è sufficiente per coprire il fabbisogno previsto di rame per i prossimi anni. Avrete sentito che rubano i cavi nei binari, avrete forse intuito che il rame sta diventando un metallo molto interessante. Quindi bisogna incrementare la circolarità del processo e utilizzare di più processi di riciclo del rame. Quello che, ad esempio, ecco, questa è, per esempio, l’aumento esponenziale nell’utilizzo del rame negli ultimi 100-120 anni. Quello che, ad esempio, stiamo facendo a Padova è provare a estrarre rame da rifiuti, da polveri industriali che contengono altri elementi, per esempio lo zinco e l’alluminio. Utilizzando non l’acido nitrico, l’acido solforico, l’acido cloridrico che sono molto corrosivi e molto impattanti, ma utilizzando degli acidi più deboli, cosiddetti acidi organici, per esempio l’acido malico, che è quello che c’è nelle mele, l’acido citrico, l’acido succinico e così via. Pietro ha studiato, per esempio, ha ottimizzato un sistema, ha preso come composto di partenza del rame la malachite, che è un composto del rame, e ha prodotto dei complessi, si chiamano in chimica, da cui poi è stato ricavato il rame sotto forma di idrossido. Tra l’altro fa ridere perché il composto che si forma tra il rame e l’acido malico si chiama malato di rame. Si chiama proprio così. Quindi Pietro diceva: “Ho prodotto il malato di rame”. Un’altra cosa che stiamo provando a fare a Padova è quella di recuperare metalli critici, in particolare litio, cobalto, nichel e manganese, da quella che si chiama la “black mass”, che è una polvere nera che si ottiene dopo che una batteria al litio esausta viene trattata. Alla fine si ottiene questa polvere nera. Questo è un lavoro che stiamo svolgendo insieme ad alcuni colleghi e anche a dei dottorandi, degli studenti e in particolare per questa cosa qui stiamo provando ad utilizzare dei solventi innovativi che non abbiamo inventato noi, che sono stati già utilizzati, ma proprio per utilizzarli per lo sviluppo per il riciclo di questa black mass. Questi solventi si chiamano solventi a basso eutettico. Sono fatti da un accettore, un donatore di legami idrogeno, da un componente A a un componente B e quando li mettete insieme la miscela di A e di B ha un punto di fusione molto più basso rispetto ad A da solo e a B da solo, quindi rimangono liquidi per un intervallo di temperatura elevata. Sono già stati testati per il riciclo di varie cose, tra cui anche i metalli. Il fatto che io possa scegliere chi è l’accettore, chi è il donatore tra tutta una serie di sostanze, anche di origine naturale, l’acido citrico, il mentolo piuttosto che l’urea, mi rende il processo. Posso variare A e B in modo tale da sciogliere in modo selettivo i vari metalli. Questo approccio l’abbiamo proposto come approccio alternativo, più sostenibile per il riciclo dei metalli dalle batterie al litio esausto e quello che facciamo è prendere questa black mass, che è questa polvere nera dal catodo della batteria e poi metterla all’interno di questi solventi a basso eutettico e poi provare a separare i metalli. L’approccio è interessante, ci sono dei risultati promettenti. Qui vedete che i vari metalli vengono estratti con rese diverse a seconda del metallo. Rimane il problema che vi dicevo prima, quello della selettività, soprattutto quando gli elementi chimici hanno proprietà chimiche simili, è difficile separarli, ma ci stiamo lavorando.

Questo mi porta alle conclusioni di questo intervento che spero vi abbia fornito qualche elemento anche critico per valutare cosa sta succedendo nella tematica delle materie prime critiche. Ci sono molte prospettive. In Europa siamo poveri di miniere, però abbiamo una risorsa molto importante che è l’intelligenza e la cultura anche dei nostri studenti per sviluppare degli approcci, per esempio, idro o solvometallurgici, per un riciclo più efficace delle materie prime critiche. Non avevo il tempo di parlare, ma c’è un altro approccio anche molto interessante che Pietro, il dottorando, ha testato in Germania che si chiama la bioidrometallurgia, in cui si utilizzano microbatteri, culture di microbatteri che producono dei metaboliti che possono essere utilizzati per sciogliere i metalli. Però c’è il problema, vi dicevo prima, della selettività di separare i metalli l’uno dall’altro che rimane una sfida tecnologica importante. A questo proposito, casualmente avevo inserito questa citazione del rapporto Draghi del 2024. Ho scoperto l’altro giorno che il professor Draghi è ospite proprio del Meeting. Nel rapporto Draghi viene evidenziata una forte potenzialità innovativa dell’Unione Europea sulla tematica fondamentale delle materie prime critiche. Le materie prime critiche sarà uno dei temi fondamentali per i prossimi anni. Ne sentirete parlare sempre di più. In Europa se ne parla da 20 anni, in Italia da qualche anno, ma sarà una tematica che ritornerà. Draghi dice una cosa molto importante, che c’è una esigenza forte di formazione che non è solo noi che formiamo i ragazzi all’università, ma anche quello che si chiama il “reskilling” e l'”upskilling” delle persone che già lavorano nelle aziende e che quando avevano studiato all’università, per esempio, chimica, il concetto di “materia prima critica” non esisteva. Quindi c’è una importante esigenza di formazione. A questo proposito il corso di laurea che ho il privilegio di coordinare come presidente dei corsi di studi è partito nel 2021, l’abbiamo concepito nel 2019 e, come vedete, abbiamo già messo nel 2019, quando non era ancora un tema di moda, un corso universitario proprio sulle materie prime critiche e faremo partire dal prossimo anno accademico anche un corso di alta specializzazione in italiano dedicato alle persone che già lavorano. Quindi l’importanza anche, vi dicevo prima, studiare, studiare, riprendere la chimica e applicarla a una realtà che non c’era 20 anni fa o 30 anni fa. Però mi fa piacere che uno dei miei libri preferiti, per un chimico, “Il sistema periodico” di Primo Levi, è uno dei libri preferiti. Nel capitolo del nichel Primo Levi parla proprio di questa tematica della separazione degli elementi e con questa voglio chiudere il mio intervento. Grazie per l’attenzione.

FRANCESCO MAMBRETTI

Ringrazio Silvia Gross e Marco Beghi. In particolare, mi permetto di riprendere rapidissimamente queste ultime cose che dicevi Silvia, questo approccio intelligente, non ideologico, al tema del riciclo, del recupero delle materie critiche che ci hai offerto. Mi sembra molto importante, anche perché richiama alla responsabilità sicuramente di chi è coinvolto a livello professionale nel settore, ma un po’ di tutti noi. Devo aver toccato qualcosa. Ok, richiama la responsabilità di tutti noi che anche il tema che al termine della mostra che abbiamo costruito proprio sul tema dei nuovi materiali con associazione Euresis. Riprendiamo il fatto che l’uomo, come abbiamo sentito, ha avuto tante volte nella storia e in particolare oggi la possibilità di conoscere, di capire, di imparare come manipolare materiali che già c’erano e costruirne di nuovi per rispondere a necessità, bisogni, esigenze che via via si pongono. Proprio per questo vi invito in primis a visitare la mostra che è in A5 qui di fianco e domani continueremo il dialogo di oggi alle ore 12:15, in particolare con Marco e speriamo con il professor Liberato Manna in collegamento. Speriamo riesca a prendere un volo per tornare dal Canada. Silvia sarà fortunatamente sulla via delle vacanze, quindi ti lasceremo libera di andare. Nel ringraziarvi ancora di aver partecipato oggi, vi ricordo infine che ognuno di noi può dare un contributo al Meeting per la costruzione di questo luogo. Ogni dono, per riprendere il titolo di quest’anno, è un mattone nuovo che aiuta a continuare a costruire luoghi di incontro, bellezza e speranza. In tutta la fiera potete trovare, come probabilmente sapete, le postazioni del “Dona Ora” marcate dal cuore rosso e vi ricordiamo infine che la Fondazione Meeting è un ente del terzo settore, il che comporta che le donazioni poi possono beneficiare degli sgravi fiscali previsti. Ringrazio ancora tutti voi. Ringrazio nuovamente Marco Beghi e Silvia Gross per essere intervenuti e buon Meeting.