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Nanotecnologie per prodotti e sistemi elettrotecnici

Pubblicata la nuova edizione della NORMA CEI 64-8
per impianti elettrici utilizzatori

 

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NANOTECNOLOGIE PER PRODOTTI E SISTEMI ELETTROTECNICI

28/09/2021
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Fabrizio Barberis, Presidente CEI CT 113
Gianfranco Coletti, Segretario CEI CT 113

Le attività normative del Comitato 113.

Agli inizi degli anni 2000 è sorto in tutto il mondo un generale interesse per le possibilità offerte dalle applicazioni delle nanotecnologie, indicate sul finire del secolo scorso come una imminente rivoluzione tecnologica di carattere travolgente.

Coloro che provengono da campi applicativi dediti ai fenomeni superficiali, come per esempio la catalisi, i fenomeni elettrostatici, le reazioni farmacologiche e molte altre si dimostrarono in qualche modo stupiti di questo insolito interesse per fenomeni che in effetti, venivano studiati ed applicati con successo già da parecchi decenni.

Il punto di innovazione rispetto a quanto noto era però un altro. Infatti, per la prima volta venivano messi a disposizione tecniche e strumentazioni in grado di “costruire”in campo bidimensionale secondo specifiche indicazioni progettuali e quindi non esclusivamente in conseguenza dalle note linee di trasformazione degli stati energetici. La cosa suscitò pertanto grandi attese e le prime realizzazioni in laboratorio indicarono fin da subito le fenomenali possibilità rese disponibili.

Negli anni seguenti, il percorso dalla Ricerca alla Innovazione, ossia dall’esperimento di Laboratorio al prodotto di Mercato, si è ampliato in direzioni impensabili, spaziando dall‘elettronica alla fotonica, dai materiali strutturati alle applicazioni in campo biologico e medico fino ad arrivare ai cosiddetti “smart materials”.

Di per sé questo costituisce già un risultato di grandissima importanza. Il progettista infatti si trova ad avere un’ulteriore fondamentale opzione, quella cioè di poter progettare il materiale prima ancora di progettare il dispositivo che vuole realizzare, potendo pertanto contare su molte più variabili per poter risolvere i problemi costruttivi.

Tuttavia, una novità ancora più eclatante emerge dalla natura stessa dei nanomateriali e giustifica l’enorme importanza che il mondo normativo sta riservando a queste tecnologie. Essere passati dalle Microtecnologie alle Nanotecnologie non è infatti solo un fattore di scala, da milionesimi a miliardesimi di metro, ma piuttosto un radicale cambiamento delle proprietà esposte dai materiali stessi. Si tratta in breve di lasciare il mondo ove le proprietà funzionali sono generalmente correlabili alla massa del dispositivo per lasciare spazio alle proprietà relative alla superfice degli stessi. La cosa è di importanza tale da essere la prima caratteristica che la definizione stessa di nanomateriale, come da Vocabolario IEC e ISO, riporta con estrema chiarezza.

Le conseguenze sul piano prestazionale e normativo sono ovviamente dirompenti. In primis perché occorre definire nuove tecnologie e strumentazioni atte ad essere scalabili, replicabili e diffondibili a livello globale per compiere l’esplorazione di un mondo che fino a vent’anni fa era appannaggio di pochi e superspecializzati laboratori popolati da altrettanto specializzati studiosi. In secundis perché introduce il concetto di progettazione di dispositivi alimentati e con una funzione ben delineata, ovverossia macchine anche ai sensi della nota Direttiva Macchine, destinati ad un mercato che sta nascendo ora e che pare sia il fenomeno trainante delle tecnologie del XXI secolo. Ciò inevitabilmente conduce a sottostare alle esigenze ed alle specifiche della produzione industriale.

L’interesse del mercato per questi dispositivi è grandissimo, come testimoniato dai report governativi e delle agenzie di marketing specializzate[1]. Il mondo industriale si sta organizzando alla massima velocità possibile per cogliere questa enorme opportunità ed ovviamente ciò sta scatenando una serie di competizioni fra i Paesi leader nel mondo. Per dare un’idea della competizione in atto basti ricordare che il Budget richiesto per il 2021 dalla Presidenza degli Stati Uniti per la National Nanotechnology Initiative[2]ammonta a 1,7 miliardi di dollari portando l’ammontare totale di quanto messo a disposizione della Agenzia dalla sua fondazione nel 2001 a 31 miliardi di dollari.

Risulta pertanto evidente che una competizione di questo tipo richiede le necessarie dotazioni, ed una di queste si attesta esattamente sul supporto del mondo normatore.

Le norme tecniche, per la loro ragione di essere, sono le compagne di viaggio dei prodotti innovativi che si affacciano al mercato. Un esempio di questa sinergia potrebbe essere rappresentato, al di là del “nano-mondo” dalla la costituzione del Consorzio America Makes[3] specificatamente posto in essere per supportare un piano Nazionale di Additive Manufacturing Statunitense, che fin da principio ha coinvolto i maggiori Enti standardizzatori americani.

Da questo punto vista, per quanto attiene il nano-mondo, il CEI, attraverso il suo Comitato Tecnico 113, sta seguendo con grande interesse l’evoluzione delle esigenze tecniche attualmente in sviluppo sia presso gli Enti di ricerca che presso le realtà aziendali. Il Gruppo di esperti del CT 113 proviene dalle Università e dagli Istituti scientifici italiani e contribuisce a monitorare, sviluppare, promuovere e promulgare le nuove proposte normative che si realizzano in ambito IEC.

Questa espressione del contributo del CEI è stata sottolineata anche pubblicamente con interventi ufficiali presso alcuni fra i più noti eventi italiani dediti all’innovazione nanotecnologica[4] dove l’importanza e il supporto dell’apparato normativo sono stati chiaramente espressi presso il mondo dell’innovazione e del trasferimento tecnologico, cioè dell’implementazione nella società civile dei risultati della ricerca di laboratorio.

La velocità della innovazione in ambito nanotecnologico (affiancata dall’altrettanto rapida obsolescenza dei ritrovati) è di tale entità ed applicata a così tante differenti discipline (praticamente tutti gli aspetti tecnologici in tutti i campi noti) da porre un’enorme sfida al mondo della normazione.

Il CEI sta strutturando le sue risorse per sviluppare un puntuale dialogo col mondo scientifico e produttivo e per mantenere la sua posizione di riferimento nazionale ed internazionale.

Il Comitato IEC 113[5]

Lo scopo del Comitato Tecnico 113 è la preparazione di normative dedicate alla tecnologia relativa ai prodotti e ai sistemi nel campo delle nanotecnologie, in stretta collaborazione con altri Technical Committees della IEC e dell’ISO.

Le nanotecnologie possono essere utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni e i documenti discussi all’interno del TC 113 si focalizzano in modo specifico sulle necessità di normazione di componenti e loro sottoinsiemi, in particolare nelle applicazioni elettroniche ed elettro-ottiche dei materiali a livello nanometrico.

Le applicazioni includono potenzialmente, ma non si limitano, a: componenti elettronici, ottici, magnetici, elettromagnetici, elettro-ottici; inoltre riguardano componenti per telecomunicazioni, per produzione di elettricità, dispositivi per celle combustibili e celle per impianti fotovoltaici, componenti per accumulo di energia.

La struttura del TC 113

Il TC 113 della IEC ha collegamenti con i seguenti Technical Committees.


La Figura 1 evidenzia la struttura in cui è articolato il Comitato.

Figura 1 – La struttura del TC 113 IEC

Applicazioni e normativa

La nanotecnologia è una delle piattaforme tecnologiche “chiave” del XXI secolo; i nanomateriali sono utilizzati come “mattoni” costruttivi per l’elettronica, l’optoelettronica e fotonica nella nanodimensione.

Il mercato dei prodotti elettronici sta sostenendo lo sviluppo di un numero sempre maggiore di nanocomponenti quali: celle fotovoltaiche ultra leggere, biosensori, memorie molecolari, ecc. Da alcuni anni si stanno ormai sviluppando prodotti strutturati e realizzati con nanoconduttori, nanofibre, nanotubi in carbonio, nanoparticelle in rame, argento, oro, ma ora stanno arrivando sul mercato dispositivi con utilizzo di materiali bidimensionali il cui esponente primo e più noto è il grafene.

Altri settori di attività che coinvolgono le nanotecnologie sono le applicazioni per il mondo della energia (celle a combustibile, idrogeno, riutilizzabili) dei processi industriali (come tutto quello che ruota attorno a Industria 4.0), della diagnostica medica e della domotica.

L’industria elettrica ed elettronica sarà testimone della crescita di questa tecnologia, cosa che sarà resa possibile da componenti elettronici flessibili, lavorabili e stampabili.

Uno dei compiti del TC 113 sarà quello di fornire normative dedicate alle caratteristiche prestazionali dei nanomateriali, in modo tale che l’industria potrà usufruire di prodotti ad elevato grado di accettabilità. Un altro aspetto di rilevante importanza per il TC 113 riguarda lo sviluppo di documenti normativi che soddisfino la domanda di qualità dell’industria dei componenti elettronici.

La qualità non può riguardare solo un prodotto, ma dovrebbe essere il risultato dell’intero processo produttivo di un componente.
Su questo tema, sono state sviluppate procedure tipo:

  • Quality Function Deployment (QFD)
  • Process Management
  • Statistical Process Control (SPC).

Tutti questi strumenti che caratterizzano la Quality Management devono essere considerati nella normativa sulle nanotecnologie così da rendere possibile la nanofabbricazione di componenti ad elevata qualità. Le procedure elencate in precedenza sono applicate per tutti e tre gli approcci usati per le nanocostruzioni:

  • approccio orizzontale che coinvolge la sintesi dei nanomateriali;
  • approccio bottom-up di autoassemblaggio dei nuovi materiali a 2D o 3D;
  • approccio top-down che coinvolge la nanostrutturazione.

Data la complessità della natura delle nanotecnologie, diventa importante la necessità di una produzione di documenti normativi che promuovano e accelerino la commercializzazione dei nanomateriali e che, allo stesso tempo, supportino l’accettazione sociale di questi materiali.

La struttura matriciale dei WG del TC 113 (Figura 1) e le attività ad essi collegate, supportano il già citato Quality Management e gli strumenti necessari a sostenere la crescita di questo promettente mercato.

La Figura 2, che illustra il percorso dell’attività di normazione del grafene, fornisce un esempio di come il TC 113 sia in grado di raccogliere le necessità di tutti i soggetti interessati alla filiera di produzione del grafene.

Figura 2 – Percorso dell’attività normativa applicato al caso del grafene

[1] Nanotechnology: A Policy Primer, John F. Sargent Jr. Specialist in Science and Technology Policy, Congressional Research Service, Sept 15, 2016.

[2] The National Nanotechnology Initiative—Supplement to the President’s 2021 Budget.

[3] AMSC Standardization Roadmap For Additive Manufacturing (Version 2.0, June 2018).

[4] I. Visintainer – F. Barberis, Comitato Elettrotecnico Italiano e la normativa Tecnica nello sviluppo del Trasferimento Tecnologico, NanoInnovation, Roma 18 Settembre 2020.

[5] Tratto da SMB 6756/R “Strategic Business Plan/IEC TC 113”.

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