Istituto di scienza e tecnologia dei materiali ceramici (ISTEC)

Attività di ricerca

La ricerca presso l'ISTEC è indirizzata all'innovazione di materiali e processi in risposta alle emergenti esigenze del comparto industriale, scientifico e culturale nazionale ed internazionale, nei diversi settori che richiedono l'applicazione di materiali e dispositivi ceramici.
Come naturale aspirazione, l'Istituto costituisce il punto in cui le conoscenze relative alla scienza dei materiali incontrano la domanda di tecnologia e, attraverso i risultati di progetti di ricerca di base o applicata, si traducono in applicazioni industriali di rilievo. Grazie alla particolare posizione nel contesto scientifico nazionale ed internazionale, evidenziata fin dalla sua costituzione e consolidata con il prosieguo degli anni, l'ISTEC ha visto sempre più rafforzato il proprio ruolo di promotore della ricerca in vari segmenti del mercato. Per l'ISTEC la ricerca rappresenta lo strumento principale per accumulare quel patrimonio di conoscenze indispensabili per dare risposte non solo alle richieste attuali, ma anche alle domande ad oggi non ancora formulate e che è compito della ricerca stessa stimolare.
Scopo delle ricerche condotte presso l'ISTEC è la progettazione di materiali ceramici di diversa natura con proprietà chimico-fisiche controllate e prestazioni innovative, ottenuti attraverso un'accurata ingegnerizzazione delle strutture e uno stretto controllo dei processi. Ciò viene perseguito partendo dallo studio di base e dalla caratterizzazione di materie prime e formulazioni, attraverso l'ottimizzazione di processi per la sintesi delle polveri, la formatura e la sinterizzazione di materiali e componenti sia densi che porosi, a forma semplice o relativamente complessa, caratterizzati da microstruttura e proprietà controllate.
Di rilievo l'alta specializzazione e profesionalità dei laboratori di analisi e misura proprietà dei materiali. Presso ISTEC sono attivi i seguenti laboratori che ioperano trasversalmente e sonoaperti ad ogni tematica di ricerca dell'Istituto.

Microscopia Elettronica
Diffrazione dei raggi X
Chimica
Caratterizzazione Meccanica
Caratterizzazione Elettrica
Analisi Termica
Reologia, Tessitura
Materie Prime-Formatura
Tecnologie di Formatura
Sintesi dei Biomateriali
Nano-Biomagnetismo
Beni Culturali
Nanotecnologie
Tecnologie di Sinterizzazione
Tecnologie Tradizionali
Taglio e lappatura
Processi Consolidamento a bassa temperatura

Le principali tematiche di ricerca e i materiali sviluppati possono essere raggruppati con riferimento ai settori applicativi:

- Costruzioni-High Tech-Aerospazio (componenti per l'aerospazio e la meccanica, materiali e componenti per l'edilizia, per applicazioni ingegneristiche, elettriche/elettroniche, optoelettroniche, etc);
- Energia-Ambiente-Meccatronica (materiali e dispositivi per generazione e accumulo di energia, materiali e tecnologie legati a fonti energetiche rinnovabili, celle SOFC, elettrolizzatori SEOC, celle solari DSSC, assorbitori selettivi di radiazione solare, materiali e dispositivi intelligenti con funzioni elettromeccaniche, etc).
- Funzionalizzazione delle superfici (vetri, metalli, ceramica, tessuti) attraverso nanotecnologie di depsizione ceramica per realizzare proprietà quali superidrofobicità o idrofilicità, autopulenza, antibatterica, antifouling, ridotti attriti, effetti fotocatalici, etc.
- Biomedicale ( materiali e dispositivi per la medicina rigenerativa di: tessuti ossei, cartilaginei, regioni anatomiche multifunzionali, rete vascolare e organi molli; cementi ossei; nanofasi superparamagnetihe per migliorare processi di rigenerazione; nanofasi funzionalizzate a rilascio controllato per terapie mirate e selettve e per diagnostica avanzata, biomateriali inerti,....)
- Beni culturali (archeometria, diagnostica, nuovi materiali e nanotecnologie per intervento di restauro e conservazione, compatibili con i materiali su cuo si deve intervenire: ceramica, mosaico, vetro, malte, lapidei, beni architettonici, ).

All'interno di ciascuna di queste classi di materiali/processi, tenuto conto delle competenze tecnico-scientifiche e della domanda esterna - anche attraverso la partecipazione a programmi nazionali ed internazionali con accesso ai finanziamenti resi disponibili - si concretizzano precisi e specifici programmi di ricerca. Per conseguire gli obiettivi di volta in volta programmati, il personale utilizza una struttura articolata per la sua alta specializzazione in laboratori di sintesi, simulazione di processo, caratterizzazione e misura delle prestazioni dei prodotti.

COSTRUZIONI, HIGH TECH, AEROSPAZIO.
L'interesse sui ceramici per l'edilizia, le costruzioni, impieghi tecnici e strutturali è al centro delle
attività di ISTEC, con lo sviluppo di materiali e componenti prototipali a base argillosa, ossidica e non ossidica.
Gli studi sui materiali da costruzione e per l'edilizia puntano alla progettazione e sviluppo di componenti alleggeriti, di spessore ridotto e dalle caratteristiche estetiche implementate.
Le applicazioni di ceramici strutturali nei settori della meccanica, dei trasporti e dell'elettronica richiedono proprietà e prestazioni sempre più stringenti: ad elevate caratteristiche termo-meccaniche devono essere associate proprietà fisiche specifiche: dilatazione controllata, conduttività elettrica, stabilità in ambienti severi. Una classe di materiali di grande attualità è quella dei ceramici ultra-refrattari (UHTC) per i quali il comparto aerospazio ha espresso grande interesse.
Nell'ambito dei geopolimeri, si progettano e sviluppano isolanti termo-acustici e ignifughi, leganti o rivestimenti refrattari con procedimenti a basso impatto ambientale, consumi energetici trascurabili e quindi a costi complessivi limitati.
Attuali temi di ricerca:
Innovazione nei materiali da costruzione
Laterizi e riciclo di scarto
Materie prime ceramiche
Pigmenti ceramici e tecniche di decorazione
Giunzioni ceramiche
Ceramici compositi polifunzionali
Lavorazioni meccaniche ed analisi dell'usura
Geopolimeri per edilizia ed infrastrutture, trasporti, riciclo e biomateriali
Ceramici luminescenti per applicazioni LED
Ceramici ultra-refrattari per applicazioni spaziali ed industriali

FUNZIONALIZZAZIONE MEDIANTE NANOTECNOLOGIE
La progettazione di sistemi nanoparticellari per applicazioni estetiche e funzionali suscita oggi rinnovato interesse nei comparti industriali più disparati. La modifica delle proprietà chimico-fisiche di superficie - attraverso la deposizione di nanorivestimenti con tecnologie varie tra cui il dipcoating, - consente di realizzare materiali (ceramica, metallo, tessuti) a bagnabilità controllata, in grado di degradare sostanze inquinanti (superfici fotocatalitiche, superidrofiliche) o di evitare l'adesione dello sporco o del fouling marino. Applicazioni di interesse sono stati dimostrati, tra tante, nella meccanica (riduzioni attriti nelle pompe), aeronautica (effetto antighiaccio sulle ali), navale (protezione antifouling).
La funzionalizzazione di substrati tessili con un rivestimento ceramico nano strutturato avviene attraverso una deposizione sol-gel, dove le proprietà della fase ceramica sono trasferite al substrato tessile, preservandone colore, traspirabilità. Test su tessili per arredamento con un rivestimento a base di TiO2 hanno dimostrato che è risultato trasparente e stabile nei confronti dei trattamento di lavaggio e test di usura ed efficace nella rimozione di macchie sotto l'esposizione della luce del sole

ENERGIA- AMBIENTE-MECCATRONICA
La produzione di dispositivi ceramici per applicazioni energetiche, ottiche, e sensoristiche con processi economicamente vantaggiosi e a basso impatto ambientale è la chiave di volta per una loro più vasta e capillare diffusione.
ISTEC svolge studi per l'ottimizzazione di processi ceramici affidabili e facilmente industrializzabili, sintesi mirate di materie prime, colaggio su nastro e in stampi di gesso, pressatura, estrusione, serigrafia, tecnologie varie di sinterizzazione, di rivestimento (serigrafia, elettroforesi, dip coating) e di giunzione tra materiali dissimili che consentano l'ottenimento di materiali e dispositivi ad elevata efficienza. Alla produzione di materiali densi eventualmente funzionalizzati con specifici rivestimenti superficiali si associano tecnologie quali il "foaming" diretto e indiretto, il "freezecasting" ed il "freeze-drying", la macro-granulazione per l'ottenimento di strutture porose ingegnerizzate in relazione ai requisiti applicativi.

Attuali temi di ricerca:
Sistemi ceramici di accumulo elettrico (batterie ZEBRA)
Ceramici trasparenti per laser di potenza
Celle solari fotovoltaiche di terza generazione a colorante organico (DSSC)
Elettrolizzatori ceramici ad alta temperatura (SOEC)
Celle a combustibile ad ossido solido (SOFC)
Assorbitori solari ceramici per sistemi di produzione di energia
Materiali piezoelettrici per applicazioni elettromeccaniche
Materiali e compositi multiferroici-multifunzionali
Strutture porose ad architettura complessa

BIOMEDICALE
Le patologie legate allo stile di vita ed il progressivo invecchiamento della popolazione hanno aumentato fortemente la richiesta di bioceramici e di biotecnologie per la medicina.
Interventi riparativi che richiedono dispositivi e segnali chimici e morfologici che inducono la formazione e organizzazione di nuovo tessuto riguardano l'ortopedia, la neurochirurgia, regioni anatomiche multifunzionali, rete vascolare e organi molli, il maxillofacciale-dentale e la chirurgia estetica. ISTEC ha attive da tempo o aperte di recente nuove linee per lo studio di materiali e dispositivi per far fronte ad esempio alla mancanza di tessuto dovuta a fattori traumatici, malattie degenerative o deformità, per i quali sono necessari richiedono "scaffolds" cioè impianti bio-mimetici, bio-attivi e bio-riassorbibili capaci di essere integrati dall'organismo umano, abitati dalle cellule e rimodellati fino a ricostruire la porzione mancante. A questo si associa anche lo studio di materiali intelligenti per trasferire informazioni e agire selettivamente nell'ambiente biologico, a scopo diagnostico e per terapie mirate e selettive.
Similmente anche per il settore protesico tradizionale e dentale vengono proposti nuovi materiali nano-strutturati ad elevate, bassissimo coefficiente di attrito ed elevata resistenza meccanica e all'usura.
Tematiche di ricerca:
o Funzionalizzazione di superfici per applicazioni medicali
o Ceramici bio-inerti per protesi strutturali
o Processi di sintesi di nano-polveri biomimetiche per rigenerazione di tessuti connettivali duri
o Processi morfo-sintetici e trasformazioni biomorfiche per scaffold ossei a struttura gerarchicamente organizzata
o Scaffold compositi bio-ibridi per la rigenerazione di regioni ossee e osteocondrali
o Scaffold a base di polimeri naturali per la rigenerazione di tessuti molli
o Fasi magnetiche bioattive per rigenerazione tissutale e terapie basate sull'ipertermia
o Scaffold porosi biomimetici e bio-riassorbibili a base ceramica e ceramico-polimerica per applicazioni rigenerative load-bearing in
ortopedia e chirurgia spinale
o Sistemi di rilascio
o Processi di sintesi e funzionalizzazione per il controllo del fenotipo cellulare

BENI CULTURALI
Gli studi archeometrici permettono di risalire alla provenienza e alla tecnologia di produzione di
materiali o reperti attraverso caratterizzazioni chimico-fisiche e microstrutturali.
Le informazioni, unitamente a quelle storico-archeologiche, consentono di ricostruire le rotte commerciali e i contesti di utilizzo degli oggetti. Lo studio diagnostico implica l'attenzione ad un sistema multiplo - oggetto culturale, ambiente e interazione - con il riconoscimento delle fasi di degrado e del loro grado di avanzamento.
Le analisi dei meccanismi di degrado di reperti antichi permette di approntare interventi di conservazione e restauro mirati e pianificare azioni conservative nel tempo del patrimonio ceramico, lapideo e d architettonico.

- Prodotti e tecnologie per la conservazione ed il restauro: geopolimeri e malte idrauliche
- Ceramica, mosaico e malte nei Beni Culturali: archeometria e diagnostica