Come è fatta una matita?

Matite. Se n’è fatto un gran parlare ultimamente e l’attualità offre un interessante spunto per spiegare il funzionamento di un oggetto che sembra banale, ma in realtà è un concentrato di piccola ingegneria al quale forse non abbiamo mai fatto caso. Come funziona una matita?

Come tutti sappiamo, la matita è un piccolo oggetto tubolare, con un supporto di legno la cui anima (o mina) è costituita da grafite o, più comunemente, da vere e proprie mescole (o formulazioni) che ne determinano le caratteristiche. Tale struttura venne ideata nel XVI secolo e le fonti storiche più credibili ne attribuiscono il progetto a due italiani, Simonio e Lyndiana Bernacotti. Fu però solo nel XVIII secolo che la fabbrica Faber a Norimberga (Germania, 1762) ideò un processo di fabbricazione industriale e, in seguito, Nicholas Jacques Conte (1795) ideò un processo per regolare la durezza della mina realizzando vere e proprie formulazioni differenti.

Analizziamo adesso qualche informazione scientificamente rilevante in merito al funzionamento della matita.

1-      La mina in grafite

Dal XVI secolo la matita possiede una mina in grafite (dal greco grafein, scrivere), che è il “cuore” del funzionamento di questo oggetto. Per capire come mai la grafite lascia un segno su un foglio dobbiamo andare a indagare l’intima struttura chimica di questo composto. Si tratta di un minerale disponibile in natura, oggi più comunemente sintetizzato tramite un processo chiamato “grafitazione”. 

La grafite una forma allotropica del carbonio; gli allotropi sono particolari “stati” nei quali si può trovare uno stesso composto chimico. La grafite è, infatti, una delle forme nelle quali il carbonio elementare si può trovare in natura (altri esempi celebri sono il diamante e i fullereni ma ce ne sono molti altri).

Chimicamente, si può immaginare la grafite come un struttura composta da atomi di carbonio in reticolo esagonale, come in figura:

Uno strato monoatomico di questo reticolo è definito grafene ed è un materiale di particolare interesse per molti campi applicativi, dall’elettronica ai nuovi materiali. Ecco, se si immagina questo reticolo sovrapposto in più piani, legati tra loro da legami chimici di tipo debole (forze di Van der Waals) si ottiene la grafite. Proprio questa struttura a piani rende il materiale particolarmente friabile e quindi adatto a lasciare tracce su un foglio di carta per azione della semplice pressione della mano.

La grafite ha molte altre proprietà e svariati utilizzi industriali. La sua particolare friabilità la rende adatta come lubrificante (da solo o in formulazione), specialmente per lavorazioni effettuate a temperature estremamente alte o estremamente basse, dove altri tipi di lubrificanti non possono lavorare.

Il suo altissimo punto di fusione la rende, inoltre, un materiale molto utilizzato in fonderia per applicazioni refrattarie. E’ utilizzato come moderatore di neutroni nelle reazioni di fissione nucleare che avvengono nei reattori ad uso civile (ad esempio nelle famose “barre di sicurezza”); per curiosità, le barre moderatrici del reattore di Chernobyl erano proprio in grafite. Oggi queste barre sono utilizzate fortunatamente solo nei reattori più vecchi e hanno la simpatica abitudine di prendere letteralmente fuoco ad alte temperature.

Il bombardamento laser della grafite ha portato alla scoperta del fullerene (o footballene: guardate la sua struttura chimica e sarà subito chiaro il motivo di questo bizzarro nome!), precursore dei nanotubi di carbonio, materiali molto studiati oggigiorno e potenzialmente utilissimi nel campo dell’elettronica e dei nuovi materiali ad alte prestazioni, nonché per la realizzazione di vere e proprie nanomacchine (chimica supramolecolare).

Infine, sono note le ottime proprietà di conducibilità elettrica di questo materiale (e dei suoi derivati), tanto che viene utilizzato come elemento anodico nelle batterie e per utilizzi più impropri, come mostrato dal Prof. Alchemist in uno dei suoi video più recenti.

 Insomma, un materiale davvero importante per la nostra civiltà, da molti secoli.

 2-      La durezza delle mine in grafite

È noto che le matite in commercio posseggono vari gradi di “durezza” della mina, caratteristica che ne determina l’utilizzo finale (professionale o artistico) e il tipo di traccia lasciato sul foglio. La durezza delle mine è regolata da una scala empirica introdotta proprio da Nicholas Jacques Conte nel XVIII secolo. Conté utilizzava dei numeri, ancora oggi utilizzati nella scala americana. In Europa, invece, è di più comune utilizzo la scala britannica con numeri e lettere da 9H (dove H sta per hard), mine durissime, a 9B (B sta per black), mine molto morbide con un profondo tratto nero. Il centro di questa scala è rappresentato dalla mina ti tipo F (in inglese fine, la mina giusta).

La regolazione della durezza di una mina si effettua creando vere e proprie formulazioni (o mescole) che vedono addizionate alla grafite altre sostanze. Minerali come l’argilla, il talco (in passato anche l’ambra naturale), le cere, le resine naturali o sintetiche determinano le proprietà di scrittura e durezza della mina, modificandone le proprietà chimico-fisiche. La durezza finale viene anche definita dal processo di cottura della mina; tutti questi elementi formulativi, infatti, per stare in qualche modo insieme devono essere sottoposti a un processo termico che unisce chimicamente i vari elementi in un composto uniforme e compatto.

3–      Le matite copiative

A differenza delle matite normali, per utilizzi particolari, come ad esempio il voto elettorale, vengono utilizzate matite di tipo “copiativo”. In questo caso la formulazione della mina contiene anche dei pigmenti, alcuni solubili, altri insolubili in acqua e il processo di cottura è meno spinto. Il risultato è una matita più morbida, ma con un tratto indubbiamente più distinguibile e profondo.

Il tratto lasciato sul foglio, in questo caso, non è rappresentato solo dal residuo carbonioso della grafite, che alla fine è un semplice deposito di materiale su una superficie (generalmente un foglio) rugosa a sufficienza per trattenere questa polvere, ma i pigmenti vengono assorbiti dal foglio stesso e quindi risultano di più difficile cancellazione per abrasione con gomma.

I pigmenti utilizzati solitamente sono di tipo anilinico, ovvero pigmenti derivanti da reazioni tra molecole riconducibili all’anilina. Questo tipo di pigmenti è molto utilizzato nell’industria tessile, ma è assolutamente nocivo e tossico e per questo, oltre a questioni puramente igieniche, non è il caso né di inumidire la punta della matita con le dita (il pigmento inevitabilmente si riverserebbe sulle mani), né tanto meno con la propria saliva (o peggio in bocca).

Sono tantissimi gli argomenti che possono essere approfonditi partendo da un oggetto apparentemente banale come una matita. Scrivendo questo articolo poi, spero di aver trasmesso almeno in parte la storia di un oggetto carico di scienza e tradizione che accompagna l’uomo da secoli ed è stata protagonista incontrastata di storie, progetti e passioni.

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E se non vi abbiamo ancora convinto, guardate questo video realizzato da Sio (Scottecs Comics)

 

http://itomizer.com/2008/01/13/storia-e-collezionismo-di-sua-maesta-la-matita/
http://it.wikipedia.org/wiki/Scala_di_durezza_delle_matite
http://it.wikipedia.org/wiki/Grafite
http://it.wikipedia.org/wiki/Mina_(matita)

http://it.wikipedia.org/wiki/Matita

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Author: Paolo Bianchi

Classe 1983. Laureato in chimica all’università di Pavia, lavora in ambito industriale chimico come account manager e project leader. Tra i primi podcaster italiani nel 2006, ha fondato il podcast Scientificast ed è attuale presidente dell’associazione culturale omonima. Appassionato giocatore di ruolo e da tavolo e consumatore vorace di fantascienza.

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