La storia dell' uomo è caratterizzata dalla capacità di modificare e produrre sostanze, materiali che creano tecnologia. Tra i materiali, basti pensare ai prodotti dello sviluppo della
metallurgia, all’introduzione della
carta, alla produzione della porcellana o all’uso del cemento nelle costruzioni e l’importanza che questi
hanno avuto nel corso del tempo, per l'affermazione della nostra società moderna.
Il 19° sec. è stato dominato dagli avanzamenti in settori siderurgici, come metalli e leghe, mentre il 20° ha caratterizzato molti sviluppi sorprendenti e rapidissimi dei semiconduttori,
che hanno portato con la nascita
del transistore e dei moderni computer, alla società dell’informazione che oggi conosciamo. Il secolo scorso
ha visto anche l’avvento delle materie plastiche, che hanno radicalmente mutato lo stile di vita degli esseri umani. È chiaro quindi che la scoperta e l’introduzione nell’uso quotidiano di nuovi
materiali segna profondamente l’evoluzione della società moderna ed industriale.
I materiali vengono in genere classificati a seconda del loro uso, in due grandi categorie, materiali strutturali e materiali funzionali. I primi si caratterizzano per le particolari proprietà di
resistenza, robustezza ed elasticità che
li rendono adatti a costruire oggetti, manufatti e strutture stabili. Esempi di materiali strutturali sono gli acciai,
la gomma, i tessuti, il legno, le fibre di carbonio o la vetroresina; ma anche una lega d’oro o una porcellana per otturazioni in odontoiatria rientrano in questa categoria. I materiali funzionali, invece, devono essere in grado
di svolgere un compito, una funzione, di produrre un segnale in risposta a uno stimolo esterno (una variazione
di temperatura, l’applicazione di un campo elettrico o di una pressione, la presenza di sostanze nell’aria, l’irraggiamento con un fascio di luce ecc.). Spesso questi materiali sono combinati tra loro a formare un
dispositivo più complesso,
ma sempre in grado di svolgere un compito ben preciso: per compiere una funzione particolare, il moderno transistore combina un materiale semiconduttore come il silicio con un sottile strato di un ossido isolante (SiO2)
e un elettrodo metallico. Sottoposto a una piccolissima differenza di potenziale, il transistore assume uno stato carico o scarico, il che permette di codificare ed elaborare rapidamente l’informazione nel codice binario.
Un altro esempio di materiali funzionali, già ampiamente in uso, è quello dei sensori di gas. Alcune sostanze,
in particolare gli ossidi semiconduttori, forniscono una risposta elettrica che cambia a seconda di quali molecole sono presenti nell’ambiente. Le molecole, depositandosi sulla superficie del
materiale e interagendo chimicamente con esso, modificano il segnale elettrico generato dal sensore, permettendo in tal modo di rilevare la presenza di sostanze anche in piccolissime quantità.
Tra i materiali funzionali si annoverano, inoltre, un ossido con proprietà ferroelettriche come il titanato di bario (BaTiO3), un sensore di onde acustiche come il niobato di litio (LiNbO3),
segnalatori di luce come il solfuro e il telluluro di cadmio (CdS e CdTe), i superconduttori ad alta temperatura critica.
Negli ultimi anni, anche grazie allo sviluppo di nanotecnologie in grado di manipolare la materia su scala molecolare e di generare sistemi e dispositivi, con dimensioni dell’ordine del nanometro
(1 nm=10−9 m), sono stati sviluppati nuovi materiali con funzioni sorprendenti. Questi materiali sono
alla base di una vera e propria rivoluzione e sono destinati a incidere profondamente sul nostro modo di vivere
nei prossimi decenni. Alcuni si caratterizzano per le loro proprietà strutturali, ma la maggior parte attira
l’interesse sia dei ricercatori sia del mercato per la capacità di svolgere nuove e più complesse funzioni.
Spesso tali materiali funzionali avanzati sono chiamati intelligenti (smart materials) a indicare una
loro capacità di svolgere funzioni di tipo superiore (Addington, Schodek 2005; Intelligent materials, 2008).
Oggi poi si guarda con particolare interesse a materiali in grado di svolgere contemporaneamente più funzioni, come una vernice che al tempo stesso protegge un manufatto dalla corrosione e
contribuisce a ridurre inquinanti ambientali, o un tessuto idrorepellente che mentre protegge dall’umidità è anche capace di generare elettricità
se esposto alla luce, per es. una batteria fotovoltaica. Questi materiali sono definiti multifunzionali e su di essi si concentra una parte importante della ricerca nella moderna scienza dei materiali.