giovedì 31 dicembre 2020

STEP#26.3 - La chimica e gli strumenti scientifici - Il Nano anemometro a filo caldo

Il NANO-anemometro a filo caldo (NSTAP- Nanoscale Thermal Anemometry Probe) è uno strumento che sfrutta la fisica dell'anemometro termico ma l'elemento sensibile misura circa 60 μm, un ordine di grandezza in meno rispetto allo strumento tradizionale. La sua produzione è la conseguenza dell’avanzare inesorabile del processo tecnologico e della conoscenza dei materiali. La creazione di questo strumento è basata su vari step, in alcuni di questi la chimica ha un ruolo fondamentale come l’ossidazione, la fotolitografia e l’attacco chimico ed in altri ha un ruolo secondario come la deposizione metallica con evaporatore a fascio d’elettroni (EBPVD), la fresatura con fascio ionico focalizzato (FIB) e la microlavorazione con laser di precisione (PLM - Precision Laser Micromachining).


Creazione di un NSTAP e i vari processi utilizzati



Sitografia:

Immagine e fonte prese il 31/12/2020 in:

https://spikelab.mycpanel.princeton.edu/papers/041.pdf

Altre fonti:

https://www.slideshare.net/davidecamm/hot-wire-anemometer-microfabrication

https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/039301968/publication/US2008087102A1?q=pn%3DUS2008087102A1

Approfondimenti:

http://fluids.princeton.edu/pubs/Fan_et_al_2015.pdf


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STEP#26.2 - La chimica e gli strumenti scientifici - L'anemometro a film caldo

L’anemometro a FILM caldo può essere prodotto per polverizzazione catodica (in inglese Cathodic sputtering), fenomeno che consiste nella creazione di un film e di un coating su un supporto in quarzo. Il substrato in quarzo viene posto in una camera sottovuoto, vicino all’elettrodo negativo, composto con lo stesso metallo che farà da film, e viene successivamente introdotto nella stessa un gas (di norma l’Argon). Si va a creare quindi un’alta differenza di potenziale tra gli elettrodi che ionizzeranno il gas facendo sì che gli ioni positivi del gas bombardino l’elettrodo negativo. L’impatto meccanico con gli ioni porterà l’elettrodo negativo a disintegrarsi, proiettando gli atomi di cui è composto in ogni direzione. Gli atomi che raggiungono il substrato si depositano sulla sua superficie creando un film dallo spessore controllato ed uniforme.

Il coating del film può essere fatto anch’esso con questa tecnica con materiali come il quarzo ma anche la lacca (dipende dall’ambito di utilizzo). Il coating poi deve avere un’adeguata temperatura di breakdown, uno spessore minimo per non avere discrepanze termiche con il film, ed infine un coefficiente di espansione termica adeguato compatibile con quello del film.


Creazione del film metallico sul substrato in quarzo



Bibliografia:

Charles G. LOMAS, Fundamentals of Hot Wire Anemometry, Cambridge: 1986, cap. 2.7, pp. 40-41 
Geneviève COMTE-BELLOT Hot wire anemometry, in « Annual Review of Fluid Mechanics», Anno VII (1976), Vol. 8, cap. 2, pp. 211-212

Sitografia:

Informazioni sull'Anemometro a film caldo sull'argomento:

https://books.google.it/books?id=g17qbt1YEXAC&pg=PA40&lpg=PA40&dq=sputtering+hot+film+anemometer&source=bl&ots=NGe9Nd8Op5&sig=ACfU3U272hovOXzSOULspU-mVOOlN4IFow&hl=it&sa=X&ved=2ahUKEwj56a_A-NTtAhVC26QKHRdTDhE4ChDoATAFegQICxAC#v=onepage&q=sputtering%20hot%20film%20anemometer&f=false

https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.fl.08.010176.001233?journalCode=fluid

Immagine della Polverizzazione catodica presa il 31/12/2020 in:

https://it.wikipedia.org/wiki/Polverizzazione_catodica


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lunedì 21 dicembre 2020

STEP#26.1 - La chimica e gli strumenti scientifici - L'anemometro a filo caldo

Per quanto concerne la chimica l’anemometro a filo caldo di primo acchito sembrerebbe c'entrarci relativamente poco per l’apparente semplicità dello strumento e per gli ambienti di utilizzo non propriamente particolari. Dietro ad un semplice filo però, come abbiamo visto per quanto riguarda la legge di King, si cela molto di più di quello che si pensa.

I processi di produzione, infatti, sono altamente legati con questa disciplina e le tecnologie utilizzate sono differenti se il sensore è un filo, un film o un nano-filo.

L’anemometro a FILO caldo se fabbricato in platino è prodotto molto spesso tramite il "filo di Wollaston". Quest’ultimo consiste in un filamento di platino tirato per matrici con maglie sempre più piccole fino a che non si arriva ad una certa dimensione (~0.07 mm). Il filo viene in seguito incorporato all’interno di una guaina di argento di un diametro di circa 2.5 mm e viene poi stirato fino a che non arriva ad avere un diametro di circa 0.050 mm. Il processo riduce quindi di 50 volte il diametro del filo composito e quindi anche del filo più interno di platino che arriva a misurare 1.5 μm. Gli strati esterni di argento infine vengono rimossi chimicamente con un acido adatto.


Il filo di Wollaston in un esperimento di calibrazione



Bibliografia:

Charles G. LOMAS, Fundamentals of  Hot Wire Anemometry, Cambridge: Cambridge University Press, 1986, cap. 2.7, pp. 39-40

Geneviève COMTE-BELLOT Hot wire anemometry, in « Annual Review of Fluid Mechanics», Anno VII (1976), Vol. 8, cap. 2, pp. 211-212

Sitografia:

Informazioni sul filo di Wollaston:

https://en.wikipedia.org/wiki/Wollaston_wire

https://books.google.it/books?id=g17qbt1YEXAC&pg=PA40&lpg=PA40&dq=sputtering+hot+film+anemometer&source=bl&ots=NGe9Nd8Op5&sig=ACfU3U272hovOXzSOULspU-mVOOlN4IFow&hl=it&sa=X&ved=2ahUKEwj56a_A-NTtAhVC26QKHRdTDhE4ChDoATAFegQICxAC#v=onepage&q=sputtering%20hot%20film%20anemometer&f=false

Immagine presa il 31/12/2020 in:

https://pdfs.semanticscholar.org/1515/bc7833e9b52dcb60e8b5091dc71d4dafd8c3.pdf


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domenica 13 dicembre 2020

STEP#25 - Cose personali

  • MEMENTO

Il primo oggetto di cui si allega la foto, è un rametto di abete bianco (Abies alba) raccolto lo scorso 6 ottobre durante una passeggiata nei pressi di Monte Ceraso (monte in provincia di Teramo, nel Parco Nazionale del Gran Sasso e dei Monti della Laga). Rappresenta un ricordo a me caro perché camminare per quei sentieri ha suscitato in me ammirazione per la natura affascinante del luogo.




  • UTENSILE
Il secondo oggetto che allego è un portamine MATIC, codice 003802PMA della Buffetti di diametro 0,5 mm con all'interno una mina di durezza F (da fine point, poiché via di mezzo tra una mina dura ed una morbida). Questa cosa la utilizzo per poter prendere appunti durante le ore di studio e per il disegno a mano libera, mio passatempo preferito.




  • FETICCIO
Il terzo oggetto è la mia ginocchiera della Aptonia che utilizzo sin da un mio infortunio del 2012 al crociato anteriore della gamba sinistra. Utilizzo questo oggetto durante le partite di calcetto, pallavolo o beach volley quindi rappresenta per me la speranza che in un futuro, il più prossimo possibile, si possa ricominciare a praticare questi sport liberamente.




Sitografia:

Zona di escursione a cui si fa riferimento:

http://www.gransassolagapark.it/distretto_cascateboschi.php


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giovedì 10 dicembre 2020

Approfondimento STEP#24

Si vuole proporre in questa sede una riflessione, a mio parere, interessante. Seppur la locuzione "hot wire anemometer" in inglese oggigiorno sia meno ricorrente, se si va a vedere la curva relativa al numero di brevetti che riguardano questo strumento nel corso degli anni su Espancenet (filtri -> data di pubblicazione), si può notare come essa abbia un andamento esponenziale a rimarcare il fatto che, anche se non è uno strumento particolarmente noto, sia importante per la ricerca e tutt'oggi molti studiosi del settore fanno sì che si possa migliorare questa tecnologia ulteriormente.





Sitografia:

Espancenet, Hot wire anemometer:

https://worldwide.espacenet.com/patent/search?q=hot%20wire%20anemometer

Google Books Ngram Viewer:

https://books.google.com/ngrams/graph?content=hot+wire+anemometer&year_start=1900&year_end=2019&corpus=26&smoothing=3


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STEP#24.2 - Le parole nella storia - Il confronto

Si propone ora un confronto nell’utilizzo tra le parole “anemometro a filo caldo”, “anemometro termico” in italiano e “hot wire anemometer” in inglese.




È possibile notare che il termine in italiano e in inglese posseggono due andamenti simili, eccezion fatta per uno slittamento di qualche anno per quanto riguarda il primo picco per lo strumento in italiano rispetto a quello in inglese, probabilmente dovuto alle necessarie traduzioni, e soprattutto per il picco del termine “anemometro a filo caldo” in italiano nel 1937.

Seppur esistente come termine “anemometro termico” in italiano, non è usato in letteratura al contrario di ciò che accade in inglese in cui "thermal anemometer" diventa sempre più ricorrente a discapito di "hot wire anemometer".


mercoledì 9 dicembre 2020

STEP#24.1 - Le parole nella storia - In Inglese

Il grafico di Google Books Ngram Viewer che si andrà ad analizzare è quello relativo alle parole “hot wire anemometer”, “thermal anemometer”, “L.V. King” e “hot film anemometer” nella lingua inglese.


Curva rossa "L.V. King", curva blu "hot wire anemometer", curva verde "thermal anemometer", curva gialla "hot film anemometer"


In questo grafico possiamo notare che il primo picco importante in ordine cronologico è quello riferito all’inventore dell’anemometro a filo caldo tra gli anni 1914 e 1916, che coincide con la pubblicazione di tre articoli da lui scritti in cui si collega la temperatura di un cilindro riscaldato e la velocità di un fluido più freddo che lambisce quest’ultimo, in quella che verrà chiamata la “Legge di King”. È interessante notare come la curva nel tempo seppur decresca drasticamente, con eccezione di un picco nel 1931, non vada mai a zero appunto per l’importanza della sopra menzionata legge per quanto riguarda questo strumento.

Attorno agli anni ’20 ci si inizia a riferire anche allo strumento che King ha inventato, l’anemometro a filo caldo. Tra gli anni ‘30 e ‘40 la parola è utilizzata spesso, probabilmente a causa del fatto che in quell’intervallo di tempo verranno sviluppati prototipi dello strumento (ad esempio l’anemometro di MacGregor-Morris) e inizierà ad essere utilizzato da più persone. Nella seconda parte degli anni ’50 si avrà un terzo picco dovuto alla pubblicazione di brevetti come quelli di Sung-Ching Ling del 1955 che porteranno una piccola rivoluzione sui materiali adoperati e si inizierà anche a parlare di anemometro a film caldo. Si può notare anche il fatto che, seppur ci si riferisca all’anemometro a film caldo per individuare la categoria dello strumento, è utilizzata maggiormente la parola “anemometro a filo caldo”.

Le curve gialla e blu avranno dei picchi assai importanti e coincidenti attorno al 1975-1976, anni in cui uscirono importanti articoli scientifici riguardanti lo strumento come quello di Comte-Bellot (1976), in cui farà anche un sunto storico dell’anemometria a filo caldo, e quello di Fingerson e Freymuth (1977).

Curioso notare infine il fatto che “hot film anemometer”, “L. V. King” oggigiorno siano assai poco utilizzate, l’uso di “hot wire anemometer” abbia visto una riduzione drammatica, e soprattutto che “thermal anemometer”, altro nome dello strumento, stia mano mano rimpiazzando “hot wire anemometer”. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che questo termine incorpora in sé ogni tipo di sfaccettatura dello strumento, che sia nano-anemometro, a film caldo o a filo caldo.



Bibliografia:

G. COMTE-BELLOT, Hot wire anemometry, in «Annual Review of Fluid Mechanics», Anno VII (1976), Vol. 8, pp. 209-231

L. M. FINGERSON e P. FREYMUTH, Thermal Anemometers, in: Fluid Mechanics Measurement, seconda edizione, edito da R. J. GOLDSTEIN, Washington D.C.: Taylor & Francis, 1977, pp. 115-173

Sitografia:

Articolo di Comte-Bellot:

https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.fl.08.010176.001233

Articolo di Fingerson e Freymuth:

https://books.google.it/books?hl=it&lr&id=nh0S42qf2mEC&oi=fnd&pg=PA115&dq=Fingerson,+L.M.,+and+Freymuth,+P.+(1977)+%E2%80%9CThermal+Anemometers,&ots=FUIrOjUhSA&sig=jEExwRgV8c_-0WOM-BIHnSZieK4&pli=1#v=onepage&q=Fingerson%2C%20L.M.%2C%20and%20Freymuth%2C%20P.%20(1977)%20%E2%80%9CThermal%20Anemometers%2C&f=false

 

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venerdì 4 dicembre 2020

STEP#23 - La normativa

Numerose sono le norme tecniche in cui lo strumento è coinvolto tra cui:

  • UNI EN ISO 7726: regola le caratteristiche minime dello strumento che deve misurare grandezze fisiche di un ambiente e ne specifica i metodi;
  • CEI EN 61326 – 1: specifica i requisiti di protezioni e di emissioni riguardanti la compatibilità elettromagnetica (EMC) degli strumenti elettronici per usi professionali, industriali, educativi ed anche di misura. Questa norma tecnica va seguita per il rispetto della Direttiva 2014/30/UE dell’Unione Europea;
  • UNI EN ISO 9001: regola la certificazione di corretta taratura dello strumento;
  • ISO/IEC 17025: regola i requisiti di competenza, imparzialità e regolare e coerente funzionamento dei laboratori (ove spesso si testano gli strumenti);
  • UNI EN ISO 7730: indica quali sono le metodologie per prevedere la sensazione termica globale ed il grado di disagio (insoddisfazione termica) delle persone esposte in ambienti termici moderati tramite degli indicatori tra cui il DR (Draught rating: le persone insoddisfatte a causa di correnti d’aria);
  • UNI EN ISO 7243: illustra metodi di controllo nelle valutazioni per lo stress da calore a cui una persona è esposta e stabilire la presenza o meno di condizioni di rischio;
  • DIN 33403-5: norma tecnica tedesca, serve per specificare le misure ergonomiche per proteggere il personale dai danni alla salute causati dal freddo (in luoghi con temperatura di 15°C o inferiore), al chiuso;
  • JIS-Z 8806: norma tecnica giapponese, riguarda questioni legata alla misurazione dell’umidità come standard internazionali, nazionali ed esteri.

Lo strumento si può utilizzare nel rispetto e per validare alcune norme tecniche tra cui:

  • UNI EN 14175-3: descrive le metodologie per le prove di omologazione con lo scopo di valutare le caratteristiche di sicurezza e prestazioni delle cappe d’aspirazione;

  • UNI EN 12599: norma che è applicata per la ventilazione ad azionamento meccanico ed ai sistemi di aria condizionata specificandone i controlli e metodologie di prova.




Per motivi di praticità i link delle fonti sono raggiungibili direttamente dal nome della normativa.



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