Un gruppo di ricerca Unimore conduce da anni avanzati studi di tribologia adottando simulazioni di dinamica molecolare ab initio che puntano a disegnare materiali per ridurre l’attrito con impiego anche nell’industria automotive. Lo sviluppo di nuovi, migliori, additivi lubrificanti porterà a ridurre consistentemente le emissioni di CO2 prodotte dalle nostre auto e migliorare la qualità dell’aria.
La qualificazione raggiunta da questi ricercatori operanti nell’ambito della tribologia, la scienza che si occupa dello studio dell’adesione, attrito e lubrificazione e coinvolge diverse discipline, in particolare la fisica, la chimica, l’ingegneria meccanica e la scienza dei materiali, ha sensibilizzato, prima, aziende come Toyota e, ora anche Total, con cui è stata recentemente sottoscritta un convenzione rinnovabile, partita nel dicembre 2017.
Le finalità dell’accordo e gli obiettivi del progetto di ricerca che legheranno l’ateneo emiliano e la multinazionale francese saranno illustrati nel corso di un “kick-off meeting” organizzato per mercoledì 24 gennaio alle ore 15.00 Aula L 1.6 dell’ex Dipartimento di Fisica presso il Campus Scientifico (via Campi 213/a) di Modena.
“Il progetto con Total – spiega la dott.ssa M. Clelia Righi di Unimore (foto), responsabile scientifico del progetto e coordinatore del gruppo di ricerca in tribologia computazionale- riguarda lo studio di un additivo lubrificante presente negli oli comunemente usati nei motori delle nostre auto. In particolare, di una molecola a base di zolfo, ossigeno e molibdeno presente nella maggior parte dei lubrificanti liquidi in commercio. Lo scopo è quello di comprendere le reazioni chimiche attivate dagli stress meccanici che dalla struttura molecolare portano alla formazione di un film lubrificante sulle superfici metalliche a contatto”.
L’incontro, presieduto e coordinato dal Direttore del Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche – FIM prof. Andrea Sacchetti e dal delegato di ateneo alla ricerca prof. Sergio Valeri, si aprirà coi saluti del Magnifico Rettore prof. Angelo O. Andrisano e del manager Total Denis Lancon. Successivamente prenderanno la parola la dott.ssa M. Clelia Righi, responsabile scientifico del progetto, la dott.ssa Sophie Lohelè (Total), il dott. Alberto Rota (InterMech – Unimore) ed il dott. Giovanni Bollelli (DIEF -Unimore).
“L’attrito – ci ricorda la dott. ssa M. Clelia Righi di Unimore – causa un’enorme perdita di energia, basti pensare che 1/3 dell’energia che deriva dal carburante immesso nelle nostre auto è persa a causa dell’attrito. Ridurre anche solo del 10% le perdite di energia per attrito negli autoveicoli in circolo solo negli USA porterebbe ad una riduzione giornaliera nel consumo del carburante pari a 100,000 barili al giorno e a 40,000 tonnellate di emissioni di CO2”.
La ricerca condotta sui lubrificanti si è sempre principalmente basata su prove empiriche, mirate a selezionare il composto con le migliori performances senza comprenderne in dettaglio i meccanismi di funzionamento. Gli additivi che più efficacemente riducono l’attrito e l’usura sono a base di fosforo e zolfo. Recentemente sono stati imposti a livello mondiale dei limiti severi al contenuto di zolfo e fosforo dato che questi elementi hanno un effetto estremamente dannoso per l’ambiente in quanto inibiscono l’azione delle marmitte catalitiche producendo un aumento delle emissioni nocive nei gas di scarico delle nostre autovetture.
Si stima che gli investimenti nella ricerca per migliorare le tecnologie per ridurre l’attrito possano portare ad un risparmio economico superiore di 50 volte il costo della ricerca stessa [B. Bhushan Introduction to tribology, Wiley (2002)].
Le tecnologie attualmente disponibili per ridurre l’attrito e l’usura si basano sui materiali: lubrificanti solidi e liquidi e ricoprimenti superficiali.
Per sostituire lo zolfo e il fosforo occorre prima comprendere il ruolo giocato da questi elementi nel diminuire l’attrito e l’usura delle parti metalliche a contatto nei motori. Dunque le compagnie produttrici di lubrificanti hanno dovuto allargare i loro ambiti di ricerca e hanno iniziato ad interessarsi dei meccanismi microscopici che stanno alla base del funzionamento degli additivi lubrificanti.
“In questo contesto – afferma la dott.ssa M. Clelia Righi di Unimore – le simulazioni al calcolatore possono giocare un ruolo importantissimo. Le moderne tecniche di calcolo basate sull’utilizzo di supercomputers consentono, infatti, di eseguire dei veri e propri esperimenti al calcolatore con il vantaggio di poter “osservare” ciò che accade in tempo reale su scala molto più piccola di quella accessibile mediante apparati sperimentali comunemente usati in tribologia, fino a riuscire ad esplorare il panorama atomistico. Ciò è essenziale per comprendere il comportamento degli additivi lubrificanti che è determinato da processi chimici che avvengono all’interfaccia sepolta tra superfici a contatto in moto relativo”.
In questo contesto si inserisce la ricerca di “tribochemistry”, sviluppata dai ricercatori Unimore, basata su simulazioni di dinamica molecolare ab initio.
“Quando nel 2006 iniziai ad occuparmi di tribologia – racconta la dott.ssa M. Clelia Righi di Unimore – mi accorsi subito che i modelli teorici applicati per descrivere i fenomeni di attrito spesso non tenevano conto in modo adeguato delle interazioni chimiche tra i materiali a contatto. Ebbi dunque l’intuizione di applicare per la prima volta nel campo della tribologia le simulazioni di dinamica molecolare ab initio, come avviene con successo in altri ambiti applicativi della fisica della materia, come ad esempio la catalisi”.
Questo approccio pioneristico ha immediatamente attratto l’attenzione di industrie produttrici di materiali lubrificanti come Total e del settore “automotive” come Toyota Central R&D Labs, che hanno avviato contatti col gruppo di ricercatori Unimore per svolgere studi basati su simulazioni di dinamica molecolare ab initio per disegnare nuovi additivi lubrificanti, la prima, e i ricoprimenti a base di carbonio, la seconda, meno dannosi per l’ambiente, chiedendo altresì di formare ricercatori al loro interno, in modo da trasferire competenze e metodi propri della ricerca accademica all’ambito industriale.
IL GRUPPO DI RICERCA UNIMORE DI TRIBOLOGIA COMPUTAZIONALE
Il gruppo di lavoro, nato nel 2006, presso il Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche (FIM) di Unimore, coordinato dalla dott. ssa M. Clelia Righi, è attualmente costituito da sei ragazzi di cui un laureando, due dottorandi e tre post-doc, in passato ha coinvolto sette studenti di laurea e dottorato, e si avvale della consolidata esperienza nello studio delle superfici e nei metodi della fisica computazionale presenti al FIM.
M. CLELIA RIGHI
E’ nata a Modena. Ha ottenuto la maturità classica al liceo San Carlo di Modena e si è laureata in Fisica con lode all’ Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia. Ha iniziato la sua attività di ricerca sui materiali a Trieste presso la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) e si è dottorata in Fisica nel 2004. Attualmente è “assistant professor” presso il Dipartimento di Scienze Fisiche Informatiche e Matematiche di Unimore dove coordina un gruppo di ricerca sulla tribologia computazionale. Studia fenomeni di attrito e adesione in materiali di interesse sia per le nanotecnologie, come grafene e altri materiali bidimensionali che per applicazioni macroscopiche, come ricoprimenti superficiali e lubrificanti in collaborazione con Toyota Central R&D Labs e Total Marketing Services.
