I materiali a cambiamento di fase (PCM) sono ampiamente utilizzati per l’accumulo termico e la termoregolazione di sistemi in temperatura grazie alla loro elevata densità di energia, l’alto calore latente e l’eccellente capacità di termoregolazione. Tuttavia, uno dei principali ostacoli nella diffusione di questa tecnologia risiede nella bassa conducibilità termica, nell'effetto di sotto-raffreddamento e nella facile dispersione di questi materiali durante il cambiamento di fase.
Quando si riscalda un solido, l’agitazione delle sue molecole aumenta e i legami che le tengono unite si allontanano. Le molecole non mantengono più le loro posizioni e cominciano a scorrere le une alle altre. Continuando a fornire il calore, le molecole si staccano completamente le une dalle altre e acquistano libertà di movimento. Quando di raffredda un aeriforme, l’agitazione delle molecole diminuisce sino a che si possono di nuovo stabilire legami tra di esse. Continuando a sottrarre calore, le molecole rallentano sempre di più i loro movimenti e si legano strettamente fra loro.
Tali fenomeni sono detti:
- La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido; la temperatura alla quale avviene è detta punto di fusione.
- La solidificazione è il passaggio inverso, dallo stato liquido allo stato solido.
- Se avviene lentamente, solo in superficie e non dipende da una temperatura precisa, si parla di evaporazione.
- Se la vaporizzazione avviene in modo tumultuoso e rapido in ogni punto del liquido, il fenomeno viene detto ebollizione e la temperatura precisa a cui avviene il cambiamento di stato è detta punto di ebollizione.
Per questo, tali sistemi vengono generalmente incapsulati in una matrice porosa, producendo un PCM stabilizzato (ss-PCM) che ne incrementa proprietà, come la conducibilità termica, evitandone la dispersione. I sistemi di contenimento utilizzati sono il macro e micro incapsulamento e l’immersione in matrici porose.
Classificazione dei materiali a cambiamento di fase
In generale i PCM organici possono essere suddivisi in due gruppi: cere paraffine e cere non-paraffine. Le paraffine sono composti organici che a temperatura ambiente si presentano con una consistenza simile a quella della cera, caratterizzati da una struttura molecolare lineare a catena con una serie di branchie.
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I PCM inorganici, o meglio gran parte di essi, possiedono un maggior calore latente di fusione che tuttavia tende a degradare nel tempo, comportando il deterioramento delle prestazioni. In genere i materiali inorganici vengono suddivisi in sali idrati e materiali metallici.
Tipologie di PCM:
- Paraffine
- Sali idrati
- Miscele composite
Vantaggi e svantaggi dei materiali a cambiamento di fase
I vantaggi derivanti dall’utilizzo dei PCM sono:
- l’aumento dell’inerzia termica delle strutture, anche a fronte di una massa termica limitata
- l’ottimizzazione del comfort termoigrometrico sia estivo che invernale, in quanto la temperatura superficiale dell’involucro interno si stabilizza intorno alla temperatura di fusione del materiale (solitamente tra i 18°C e i 25°C)
Gli svantaggi legati all’utilizzo dei materiali PCM, invece, sono i seguenti:
- elevata infiammabilità che ne riduce l’utilizzo a piccole porzioni di involucro
- costi ancora elevati
- stabilità delle proprietà con durata pari a circa 20 anni
Sistemi di contenimento dei materiali a cambiamento di fase
I sistemi più utilizzati per il contenimento dei materiali, che durante la giornata passano dallo stato solido a quello liquido, sono il macro e micro incapsulamento e l’immersione in matrici porose. Tra le modalità di inserimento nella parete, l’applicazione più comune prevede l’aggiunta di microcapsule ai materiali tradizionali, ossia la miscela in pasta di capsule di PCM con materiali porosi come cemento o gesso o in contenitori rigidi e flessibili (plastici, alluminio, acciaio, ecc.).
Esempio di applicazione: il biogel che rinfresca gli interni
Un esempio di applicazione dei PCM è fornito dall’esperimento compiuto nel Campus Universitario di Seattle; nell’edificio è stato inserito un PCM sotto forma di gel nell’intercapedine tra le mura e i soffitti. Il gel, che si solidifica durante la notte e si fonde con il calore del giorno, ha dimostrato di poter ridurre la quantità di energia necessaria per raffreddare gli spazi interni, con un risparmio energetico notevole. L’effetto è lo stesso che si ottiene con mura spesse di calcestruzzo o mattoni, che riducono le oscillazioni di temperatura interna.
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A. Fasolini, A.Gondolini, E. Mercadelli, F. Basile, A. Da reticolo a massa compatta, come una spugna che si comprime e poi si distende, a seconda del tipo di luce che la colpisce. È questo che fa il materiale che vedete in questo video, una novità realizzata da un gruppo di ricercatori dell'Università del Colorado Boulder, e appena presentata su Science Advance.
Si tratta in particolare di un elastomero, una matrice - come suggerisce il termine - elastica, composta da molecole che cambiano conformazione quando sono irradiate dalla luce (o meno), così come se esposte al calore. Non è la prima volta che gli scienziati ottengono prototipi simili, ma spesso sorgono problemi nello scale-up, poiché le proprietà vengono mantenute solo su oggetti di dimensioni molto limitate, oppure il materiale non riesce a ripristinare perfettamente la struttura originaria.
Pensiamo a giunture snodate per i bracci robotici, per esempio, o a sonde mediche da inserire nel corpo umano.
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