Approfondimenti e curiosità
Il carbonio
Il carbonio (dal latino carbo che significa “carbone”) ha una storia che parte da molto lontano. Abbiamo testimonianze del suo utilizzo già in età antica, infatti, le popolazioni primitive lo producevano già, bruciando del materiale organico con poco ossigeno. Verrà utilizzato più avanti per la produzione di inchiostri, come testimonierà Caio Plinio – scrittore e naturalista dell’antica Roma – scrivendo sull’impiego del “nerofumo” nella preparazione di inchiostri per scrittura e stampa. Last but not the least, il carbonio è l’elemento fondamentale di tutta la chimica organica che sta alla base del funzionamento degli organismi viventi.
“Il carbonio, infatti, – come afferma Primo Levi ne Il sistema Periodico, 1975 – è un elemento singolare: è il solo che sappia legarsi con sé stesso in lunghe catene stabili senza grande spesa di energia, ed alla vita sulla terra (la sola che finora conosciamo) occorrono appunto lunghe catene. Perciò il carbonio è l’elemento chiave della sostanza vivente”.
In natura il carbonio si trova sia allo stato libero sia in combinazione con numerosi composti. È presente in natura in differenti forme (o allotropi) come la grafite, uno dei materiali più morbidi e il diamante, uno dei più duri.
Le fibre di carbonio
Le fibre di carbonio sono state utilizzate per la prima volta da Thomas Edison nel 1879 come filamento incandescente nei suoi esperimenti per la produzione della prima lampadina, in seguito sostituito con il tungsteno. Negli anni Cinquanta vennero poi scoperti i materiali compositi, ovvero materiali strutturali avanzati in cui diversi componenti sono integrati tra loro per produrre un materiale con caratteristiche superiori da un punto di vista fisico, meccanico, chimico ed estetico, a base di fibre di carbonio. Roger Bacon – fisico e naturalista del primo secolo – realizzò presso il Parma Technical Center, in Ohio, nel 1958, la prima fibra di carbonio ad alte prestazioni. Vi sono principalmente due tipologie di fibra: le prime chiamate Carbonio-PAN (Poliacrilonitrile) che derivano dalla modificazione di fibre organiche come, per esempio, rayon o acriliche, mentre le seconde denominate Carbonio PITCH sono prodotte dalla distillazione dei residui di catrame o del petrolio.
Tuttavia, i primi sviluppi commerciali sono arrivati solo dopo alcuni decenni. Sta di fatto che grazie alla sua eccellente resistenza meccanica, leggerezza, capacità di isolamento termico, resistenza a variazioni di temperatura e all’effetto di egenti chimici, il composito a base di fibra di carbonio è diventato il materiale leggero più utilizzato, per sostituire materiali metallici convenzionali. Il suo peso specifico è di circa 1.5 – 1.8 g/cm3, approssimativamente un quarto di quello del ferro e poco più della metà di quello dell’alluminio. Per realizzare le fibre di carbonio sono necessari due elementi: le fibre di carbonio, che costituiscono la proprietà meccanica e una matrice, in genere una resina che ha la funzione di fissare le fibre tra di loro.
Con l’ottenimento di questo composto in forma di filamenti sottili si procede con la sua ossidazione in atmosfera inerte a temperature molto alte, che possono raggiungere i 2000°C. Il calore innesca una serie di reazioni chimiche il cui risultato è l’eliminazione degli atomi diversi da quelli del carbonio. Le catene organiche si fondono creando un singolo filamento dalle elevate proprietà meccaniche e pesi molto contenuti. Si ottiene, quindi, una specie di tessuto costituito da un insieme di migliaia di filamenti di carbonio con spessore che va dai 5 ai 10 mm. Un filamento di carbonio è composto da migliaia di fibre tubolari che hanno un diametro di 5-6 µ, costituiti quasi esclusivamente da carbonio.
Le dimensioni di una fibra di carbonio e di un capello umano comparate al microscopio.