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Materiali funzionali

Mentre l'impiego dei materiali per scopi strutturali risale agli albori della storia umana, l'idea che un materiale possa assolvere a compiti diversi e più sofisticati del semplice resistere a sforzi meccanici è relativamente più recente. In linea generale, con l'espressione impiego funzionale si intende in modo assai ampio l'utilizzo di un materiale per qualsiasi applicazione diversa da quella strutturale − dal trasporto di energia elettrica con cavi di rame alla trasmissione di dati con fibre ottiche al trattamento digitale dell'informazione impiegando sofisticati dispositivi elettronici basati primariamente su materiali semiconduttori, dalla produzione di energia elettrica usando celle fotovoltaiche alla realizzazione di dispostivi capaci di monitorare la presenza e la concentrazione di specie chimiche. Non è quindi strano che la classe dei materiali funzionali abbia subito un importante impulso solo in tempi relativamente recenti, a ridosso della spettacolare evoluzione delle tecnologie nel corso della seconda rivoluzione industriale.

L'esigenza di generare e trasportare energia elettrica fu un motore straordinario nello studio delle proprietà elettriche dei materiali − e motivò poi un approfondimento nella conoscenza delle loro caratteristiche elettroniche che generò un ritorno formidabile anche in ambiti affatto diversi dall'elettrotecnica.

Con la scoperta e la razionalizzazione dei primi fenomeni elettrici fu rapidamente chiaro ai fisici e agli ingegneri della seconda metà dell'Ottocento l'importanza di disporre di materiali capaci sia di trasportare correnti elettriche sia di impedire efficacemente il movimento di cariche elettriche. Per il primo scopo la classe di materiali di elezione risultò essere ovviamente quella dei metalli. Una rapida scorsa ad una tabella di resistività elettriche mostra come il rame (e l'argento) presentino caratteristiche ottimali allo scopo − e non casualmente il rame è il metallo oggi correntemente impiegato nella gran parte dei sistemi di trasporto di energia elettrica, almeno quando siano in gioco potenze rilevanti. Sul versante opposto, buoni isolanti elettrici per applicazioni elettrotecniche di potenza furono inizialmente individuati nella classe dei ceramici e, più in generale, degli ossidi. Porcellane, miche ed allumina trovarono e trovano ancora oggi impiego per l'isolamento di parti elettriche in tensione.

Nel complesso lo sviluppo dell'elettrotecnica stimolò e portò rapidamente a maturazione quell’approccio ai materiali che oggi viene adottato anche in altri settori della tecnologia. Da questo punto di vista (ma solo da questo punto di vista) l'elettrotecnica e la microelettronica stanno su una assoluta linea di continuità con l'elettronica moderna, che semplicemente estremizza la complessità delle richieste e la velocità con cui nuovi materiali passano dalla loro progettazione concettuale (bisogno di un materiale con certe proprietà) alla sua effettiva disponibilità (individuazione del materiale e del processo di produzione necessario per realizzarlo). Ovviamente da ogni altro punto di vista la rivoluzione microelettronica segna una discontinuità profonda nelle tecnologie moderne, non fosse altro che perché essa si centra su una nuova classe di materiali funzionali: i semiconduttori.