Materiali intelligenti nell’edilizia del futuro

Cementi antismog, calcestruzzi che si auto riparano grazie all’azione di batteri, legno potenziato e trasparente, strutture di carbonio leggere ma estremamente resistenti, nuovi prodotti fibrorinforzati con grafene o dotati di sensori: il panorama dei nuovi materiali ad alte prestazioni è piuttosto ricco e diversificato e sempre più lo sarà negli anni a venire. 

Quando un materiale può definirsi smart?

Sostanzialmente quando riesce a passare da una condizione statica a una dinamica, quindi quando è in grado di reagire a una serie di stimoli esterni, modificando una o più proprietà che lo caratterizzano: proprietà meccaniche, ottiche, elettriche, chimiche e termiche.

Anche nell’industria delle costruzioni i materiali intelligenti stanno avendo interessanti sviluppi, anche grazie all’evoluzione della bioarchitettura e al progressivo affermarsi di edifici ecocompatibili, dove la ricerca di materiali da costruzione che garantiscano alte prestazioni energetiche nel rispetto ambientale è in forte espansione.

Potrebbe apparire a prima vista un controsenso, ma è stato lo sviluppo della chimica a permettere la nascita di nuovi materiali più in sintonia con il ritmo della natura: si tratta di prodotti progettati e realizzati su misura per poter assolvere a funzioni specifiche che, in pratica, reagiscono a precise sollecitazioni dell’ambiente esterno, attraverso l’apporto di sostanze capaci di modificare alcune delle loro peculiarità, come avviene per esempio nei vetri fotocromatici che – con l’aumentare o il diminuire della luce – variano il loro grado di trasparenza. Definiti anche funzionali, questi materiali intelligenti sanno adattarsi all’ambiente che li circonda, rispondendo a diversi stimoli che possono essere sia fisici, sia chimici: luce, temperatura, pressione, elettricità, così come la presenza di acqua.

Esistono, per esempio, i cosiddetti materiali a cambiamento di fase (o ad accumulo latente) che hanno la proprietà di cambiare il proprio stato, da liquido a solido e viceversa, rilasciando e assorbendo calore.

I cosiddetti Pcm (dall’inglese Phase Change Materials) vengono, in pratica, inseriti nei materiali tradizionali con la tecnica dell’impregnazione e del micro-incapsulamento. Nel settore delle costruzioni si utilizzano le paraffine chimicamente stabili, sostanze atossiche e non corrosive.

La loro principale funzione in edilizia ha a che fare con il funzionamento dell’involucro nei mesi estivi. Questo particolare isolante limita lo scambio termico dall’esterno verso l’interno dell’edificio nelle ore più calde. In inverno, invece, accumula calore durante le giornate soleggiate per rilasciarlo durante la notte, quando il carico sul sistema di riscaldamento è maggiore a causa delle basse temperature.

Il successo dei materiali compositi

Dall’unione di due materiali può nascerne un terzo completamente nuovo, con proprietà superiori a quelle dei due componenti. Molti di questi prodotti compositi sono arrivati nel mondo delle costruzioni dopo essere stati scoperti e applicati in settori completamente diversi come la medicina e soprattutto l’aeronautica.

Si tratta di materiali con precise caratteristiche, come leggerezza, resistenza e stabilità dimensionale, bassa corrosione e facilità di installazione. Altra qualità molto importante in ambito architettonico è la loro duttilità e plasmabilità che garantiscono massima liberà di creazione, quindi la possibilità di realizzare forme estremamente originali.

I materiali compositi, noti anche con l’acronimo Frp, da Fiber Reinforced Plastics, avranno certamente forti sviluppi nel settore delle costruzioni e delle infrastrutture.

Sono ottenuti dalla combinazione di una resina polimerica e di una fibra di rinforzo che può essere vetro, carbonio, keflar, ma anche canapa, bambù e lino. In questi ultimi tre casi si parta di materiali bio compositi.

Oggi in Italia l’impiego di questi materiali in architettura è ancora abbastanza limitato, tranne che negli interventi di restauro e consolidamento, soprattutto quelli a base di fibre di carbonio.

Un’eccezione è lo Sheraton Malpensa Airport Hotel, progettato dagli studi King Roselli e Saporiti Hotel Design. Si tratta di una struttura metallica di tre piani rivestita da una sorta di “pelle” di fibra di vetro. Questo composito ha consentito di semplificare l’installazione, riducendo le problematiche legate alla movimentazione e aumentando la resistenza delle facciate alla corrosione, al fuoco e all’acqua.

L’edificio, dalle forme avveniristiche, è stato concepito come un vero e proprio oggetto di design a grande scala (420 metri di lunghezza, 64 di profondità e 22 di altezza). La ricerca per l’individuazione dei materiali più idonei alla realizzazione di un albergo così particolare era finalizzata alla possibilità di sviluppare una superficie avvolgente senza soluzione di continuità da piegare intorno ai volumi funzionali dell’edificio. Così, la scelta è ricaduta sull’impiego di pannelli pultrusi di fibra di vetro.

La pultrusione è un processo industriale che combina l’estrusione e la trazione della fibra di vetro attraverso uno stampo e rende possibili pannelli di larghezza fino a 1400mm e di lunghezza quasi infinita.

Per questo progetto si aveva la necessità di lunghezze fino a 25 metri. Altre caratteristiche che hanno portato all’utilizzo di questo materiale sono state la leggerezza, l’elasticità, la stabilità a temperature estreme (da -20°C fino a +50°C).

Un altro nuovo materiale composito destinato ad avere grandi possibilità di sviluppo nelle costruzioni è il cemento rinforzato con fibre di carbonio che si può ottenere sia mescolando le fibre al calcestruzzo che si distribuiscono così in modo del tutto casuale, sia posando tra gli strati sottili di cemento tappeti a rete in fibra di carbonio.

C’è poi un terzo processo produttivo, denominato per iniezione, dove le fibre vengono stampate in modo mirato nel cemento e ottenendo un materiale estremamente resistente alla trazione.

Quali sono i vantaggi di questo cemento smart?

Mentre con il calcestruzzo tradizionale per proteggere l’acciaio dalla corrosione è indispensabile aggiungere strati molto spessi di cemento – con il conseguente consumo ingente di sabbia e un’elevata emissione di anidride carbonica nel processo di lavorazione – il carbonio offre il privilegio di non arrugginire il composto da costruzione e di poter essere prodotto utilizzando qualsiasi altro materiale contenente carbonio. Con questo composito si ha un aumento della resistenza fino a cinque volte quella del cemento armato, con una durata nel tempo nettamente superiore.

Certo, il carbonio ha costi molto più alti di produzione, tuttavia va anche considerato che questo composito consente un risparmio di materiale del 75 per cento circa, quindi è in grado di ridurre notevolmente il costo complessivo della costruzione.

L’evoluzione del vecchio cemento

All’ultima edizione del Mobile World Congress tenutasi a Barcellona, quella del 2019, la società Italcementi ha presentato una linea di pareti e pavimenti innovativi che possono riscaldarsi e condurre energia, grazie all’arricchimento del cemento con il grafene.

Lo studio delle sue proprietà e possibili applicazioni nei laboratori dell’azienda bergamasca è iniziato nel 2014, da quando Italcementi è entrata a far parte del Consorzio Graphene Flagship, una delle più importanti iniziative di ricerca avviate dall’Unione Europea sullo sviluppo di nuove tecnologie legate ai materiali.

Da allora, nei laboratori Italcementi, sono stati avviati diversi progetti di ricerca sulle applicazioni con calcestruzzi intelligenti, dedicando più di 15.000 ore di studi e approfondimenti. L’ultimo si è concentrato sulla possibilità di combinare l’eccezionale proprietà conduttiva del grafene con le potenzialità di un materiale di uso comune e largamente diffuso come il calcestruzzo.

Il risultato è stata la creazione di un composito cementizio elettricamente conduttivo, uno smart concrete che apre la strada ad applicazioni rivoluzionarie nel settore dell’edilizia e a molteplici soluzioni intelligenti per le abitazioni, le infrastrutture e la mobilità del futuro, in grado di accrescere efficienza e sicurezza nella vita quotidiana delle persone.

Incorporando il grafene nel calcestruzzo, i ricercatori Italcementi sono riusciti a modificare il tipico comportamento isolante dei composti cementizi, permettendo il passaggio della corrente elettrica senza comprometterne le prestazioni. Le possibili applicazioni e i vantaggi sono molti, soprattutto se si considera che il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato al mondo.

Questa variante a base di grafene potrà essere impiegata nel riscaldamento a pavimento o a parete. Grazie alla trasformazione dell’energia elettrica in energia termica, un sottilissimo strato di composto cementizio altamente conduttivo, posto al di sotto della pavimentazione o dell’intonaco, sarà in grado di offrire un sistema di riscaldamento poco invasivo ed efficace, accrescendo il comfort abitativo e ottimizzando gli spazi.

Il cemento “mangia smog” – sempre prodotto da Italcementi – beneficia invece di TX Active, il principio fotocatalitico per prodotti cementizi in grado di abbattere gli inquinanti presenti nell’aria dei centri urbani, migliorandone la qualità e mantenendo nel tempo le caratteristiche estetiche degli edifici.

In pratica, l’azione combinata della luce e di questo principio attivo, a base di biossido di titanio, decompone gli agenti inquinanti prodotti dalle attività umane.  L’utilizzo di questo cemento eco-smart è particolarmente utile, quindi, nei luoghi dove scarseggia la ventilazione, in primis i tunnel e le gallerie.

L’ex Palazzo Italia di Expo 2015, prossimamente sede della fondazione di ricerca Human Technopole, è stato realizzato con questo cemento bianchissimo. L’azione del sole, in sostanza, attira sulla superficie gli agenti inquinanti, mentre il biossido di titanio li trasforma in nitrati, carbonati e solfati, cioè in sali inerti e innocui che con la pioggia vengono semplicemente lavati via.

Un altro prodotto interessante – frutto della ricerca Italcementi – è il calcestruzzo fibrorinforzato I.Power Rigenera, utile per il ripristino delle strutture portanti delle grandi infrastrutture viarie.

Segni particolari: l’alto livello di fluidità, che permette a questo cemento smart di avvolgente l’elemento strutturale come una sorta di nuova pelle dello spessore di pochi centimetri, e l’elevata durabilità, con minimo rischio di fessurazione e, di conseguenza, con costi di manutenzione ordinaria estremamente contenuti. Il rinforzo con fibre di acciaio non solo garantisce una notevole solidità, ma consente a questo materiale di interagire con la struttura ammalorata, fornendo portanza e capacità di deformazione, quindi resistenza sismica.

All’Università Tecnica di Delft (TU Delft) si sta attualmente sviluppando un calcestruzzo autorigenerante, nel quale i batteri inducono la produzione di minerali a base di carbonato di calcio.

Alla Delft University of Technology, in Olanda, i ricercatori hanno invece sviluppato un calcestruzzo autorigenerante, nel quale i batteri inducono la produzione di minerali a base di carbonato di calcio. Questi batteri a contatto con l’acqua che si infiltra nelle fessure proliferano e, attraverso il loro metabolismo, formano strati di calcare che vanno a sigillare le crepe, evitando anche la corrosione dei ferri di armatura all’interno della struttura.

Nanotecnologie e materiali del futuro

Il settore dell’edilizia si avvale ormai da decenni dell’aiuto degli ultimi ritrovati in fatto di nanotecnologia: le applicazioni di quest’ultima nel settore edile sono potenzialmente illimitate e in continua evoluzione.

Il termine nanotecnologia fu coniato nel 1974 da Norio Taniguchi, docente della Tokyo University of Science, per definire un ramo della scienza applicata e della tecnologia, incentrato sul controllo della materia su scala atomica e molecolare, più precisamente nanometrica (il nanometro equivale ad un millesimo di millimetro).

Le nanotecnologie consentono, quindi, di osservare, misurare e manipolare la materia su scala atomica e molecolare.  I “prodotti nano” nel settore delle costruzioni sono attualmente concentrati nei settori dei materiali da costruzione legati al cemento, nella riduzione del rumore e isolamento termico o regolazione della temperatura e nei rivestimenti superficiali per migliorare la funzionalità di vari materiali.

Le nanotecnologie e i nanomateriali offrono nuove interessanti opportunità nell’industria delle costruzioni, garantendo lo sviluppo di materiali da costruzione molto resistenti, di lunga durata e allo stesso tempo estremamente leggeri.

Ci sono isolanti con elevate prestazioni che consentono un ripristino termico degli edifici in cui non è possibile un isolamento convenzionale e possono contribuire a migliorare l’efficienza energetica, così come una vasta gamma di metodi per il trattamento delle superfici (vetro, muratura legno e metallo).

In edilizia la nanotecnologia è impiegata in maniera piuttosto massiccia già da tempo: per materiali compositi strutturali più leggeri e resistenti, ma anche per quanto riguarda i materiali di rivestimento a bassa manutenzione o anche materiali cementizi più performanti. All’impiego dei nanomateriali si deve anche, ad esempio, la sensibile riduzione delle emissioni di CO2 dal calcestruzzo.

In commercio si trovano anche prodotti che impiegano le nanotecnologie per trattare pareti e altre superfici, rendendole idrorepellenti e impermeabili.

In particolare, nel settore dell’architettura e nel campo della conservazione del patrimonio storico le nanotecnologie stanno fornendo un impulso notevole all’innovazione nei processi e nei prodotti tradizionali, soprattutto per quanto riguarda il coating, le vernici e le pellicole di copertura.

Nel comparto dei prodotti per l’isolamento, esiste oggi uno speciale tessuto brevettato da un team di ricerca del Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Trento è dotato di uno straordinario potere isolante. Si tratta di un tessuto, simile al feltro, costituito da nanofibre di nitruro di silicio.

È flessibile e pieghevole, morbido come la lana ma duro come la ceramica. Questo feltro hi-tech inoltre, è ignifugo e resistente anche temperature estremamente elevate. Per questo potrà trovare impiego in altri ambiti quali l’isolamento termico ad alta temperatura, la filtrazione di liquidi e di gas caldi e l’assorbimento di onde elettromagnetiche.

Alla George Washington University, invece, un team di ricercatori sta sviluppando un procedimento che, oltre a migliorare le prestazioni del materiale, riuscirà anche a ridurre ulteriormente le emissioni di CO2: ciò si otterrà aggiungendo nanotubi di carbonio, prodotti mediante un particolare procedimento di elettrolisi, al cemento e materiali simili.

All’ University of California di Los Angeles (Ucla) una squadra di ingegneri meccanici e scienziati ha invece messo a punto un processo che mira a rafforzare la struttura atomica del vetro attraverso l’utilizzo di nanoparticelle. Si ottiene così un prodotto che è almeno cinque volte più resistente rispetto a quello comune.

Esiste poi un altro materiale innovativo, molto interessante, che sicuramente avrà notevole sviluppo nei prossimi anni: è l’Augmented Wood – o legno potenziato – nato dall’esperienza del biologo e architetto francese Timothée Boitouzet, fondatore della start-up Woodoo.

In pratica, apportando delle modifiche alla composizione interna del materiale (sostituendo la lignina con una nuova tipologia di polimero) Boitouzet ha creato un legno smart da utilizzare per costruzioni eco-sostenibile, rinnovabile e naturale.

Il Legno Potenziato si è rivelato essere infatti una risorsa in grado di resistere molto più facilmente alle intemperie climatiche e al fuoco, ed è da 3 a 5 volte più forte e robusto del legno tradizionale. Inoltre, l’aspetto più innovativo riguarda il fatto che se si abbinano le proprietà ottiche del nuovo polimero con quelle del legno stesso, la luce non riflette, ma riesce a passare attraverso il materiale, dando vita ad una vasta gamma di nuove possibilità da poter testare nel mondo delle costruzioni.

Il polimero iniettato conferisce nuove proprietà fisiche e ottiche al legno, rendendolo quindi traslucido e più resistente al fuoco. Richiede anche molta meno manutenzione perché non si ossida più a contatto con aria e umidità. Inoltre, non si deforma o non viene attaccato da insetti, funghi o altri batteri. L’estrazione della lignina mantiene intatta l’integrità strutturale del materiale. Per limitare il più possibile l’impatto ambientale la ricerca dell’architetto francese si è focalizzata sulle specie legnose inutilizzate e di bassa qualità.

Quando è la struttura a diventare smart

I materiali compositi sono particolarmente interessanti per la realizzazione di strutture intelligenti, non solo leggere e ad elevata resistenza, ma dotate di sensori e attuatori inseriti direttamente al loro interno, così da realizzare un vero e proprio sistema integrato. Negli ultimi anni, sono state sviluppate tecnologie che rendono possibile l’integrazione di sistemi di monitoraggio e attuazione nelle strutture, come per esempio i sensori in fibra ottica.

Recenti studi sulle nanotecnologie hanno mostrato che l’aggiunta di specifiche nanoparticelle conduttive all’interno di una matrice cementizia possa dare origine a materiali compositi capaci di diagnosticare il proprio stato di deformazione e di tensione. In sostanza, queste strutture edilizie dispongono di una rete interna di sensori a fibre ottiche che permettono la sorveglianza di diversi parametri, critici per la sicurezza e utili per una pianificazione efficace degli interventi di manutenzione.

Tra questi, le deformazioni degli elementi strutturali provocati da sbalzi di temperature, pressioni, penetrazioni di agenti chimici nocivi, inizio di prime fessurazioni e variazione degli stati tensionali. Con i sensori a fibra ottica si può eseguire sia un monitoraggio strutturale – inteso come controllo di spostamenti e deformazioni di membrature portanti – sia un controllo sul deterioramento dei materiali, seguendone in tempo reale gli sviluppi fisici e chimici.

È inevitabile, quindi, che in un futuro non molto lontano i materiali saranno internet addicted. Già oggi l’adozione di sensori perennemente connessi – grazie alle tecnologie wireless – viene considerata una soluzione di eccellenza per il monitoraggio di opere come viadotti, dighe, gallerie e ponti. Questi materiali intelligenti, a breve saranno in grado di svolgere una serie di funzioni e di prendere il posto di congegni e dispositivi. Quindi, le nuove costruzioni dovranno integrare già nei materiali un’elevata quantità di chip, in modo da poter monitorare lo stato di salute delle pareti e delle parti strutturali, oltre ai livelli di umidità, isolamento, risparmio energetico.

L’obiettivo? Poter gestire al meglio le attività di manutenzione e intervenire solo dove è necessario, senza spreco di inutili risorse. Ma non solo: sarà possibile anche, in relazione alla temperatura percepita dai sensori, attivare una serie di funzioni in automatico come la ventilazione o l’ombreggiamento delle vetrate.

«Le fibre ottiche intelligenti – aveva spiegato Massimiliano Moruzzi, Senior Research Scientist di Autodesk, in occasione dell’evento Autodesk Redshift svoltosi a Milano lo scorso anno – possono funzionare all’interno dell’edificio come un sistema nervoso. Questa fibra ha al suo interno delle nanostrutture che reagiscono ai vari cambiamenti e, tra l’altro, si può stendere con un robot, quindi è altamente sostenibile. Non siamo nel campo della fantascienza: creare questo tipo di sistema nervoso è un modo per riuscire a iniettare vita all’interno di una struttura. Sarebbe bello poter costruire un domani un edificio in grado di comprendere le esigenze di chi lo abita, un edificio in grado di comunicare con le persone. Realizzato con materiali capaci di immagazzinare dati in base alle nostre sensazioni e di restituirci una risposta; di percepire, cioè, la persona a livello biologico. Questo è il futuro dell’edilizia. Arriveremo a parlare di cognitive building che sarà in pratica la naturale evoluzione dello smart building. Le nostre case – attraverso l’applicazione di sensori all’avanguardia collocati negli smart materials – potranno raccogliere costantemente dati e apprendere da sole sempre di più, autogestendosi e continuando a elevare il livello di benessere dei suoi abitanti, così come migliorare le prestazioni energetiche».