La chimica dei
nuovi materiali
M.Francesca Ottaviani
Facoltà di Scienze e Tecnologie
Università di Urbino
Quando si parla di MATERIALI……
Solidi
Liquidi
Cristalli
Fibre,
tessuti
e carta
Metalli e leghe
Detergenti
Vetri
Micelle
Polimeri
Solidi micro-,meso- e
nanoporosi
Membrane
Semiconduttori
Catalizzatori
vernici
Pigmenti
Creme
Gas??
IL NUOVO MATERIALE DEL QUALE
NON POSSIAMO PIU’ FARE A MENO:
La PLASTICA
Sono dette materie plastiche quei materiali
artificiali con struttura macromolecolare che in
determinate condizioni di temperatura e pressione
subiscono variazioni di forma, che possono diventare
permanenti.
Chimicamente, le materie plastiche si ottengono
dalla polimerizzazione di una quantità di molecole base (monomeri) per formare
catene anche molto lunghe.
Si parla di omopolimeri se il monomero è unico, copolimeri se il polimero è ottenuto
da due o più monomeri diversi, e di leghe polimeriche se il materiale è il risultato
della miscelazione di due monomeri che polimerizzano senza combinarsi
chimicamente.
A tale base polimerica vengono poi aggiunte svariate sostanze (dette "cariche") in
funzione dell'applicazione cui la materia plastica è destinata (ad esempio coloranti o
lubrificanti) ed altri componenti speciali atti a conferire alla materia plastica finita le
desiderate proprietà di lavorabilità, aspetto e resistenza.
Le materie plastiche si ottengono dalla lavorazione del petrolio….
Le materie plastiche si dividono in termoplastiche e termoindurenti.
Termoplastiche: materie plastiche che rammolliscono sotto l'azione del calore. In questa
fase possono essere modellate o formate in oggetti finiti e quindi per raffreddamento
tornano ad essere rigide.
Termoindurenti: materie plastiche che, dopo rammollimento per riscaldamento,
induriscono per effetto di reticolazione tridimensionale; nella fase di rammollimento
risultano formabili. Se questi materiali vengono riscaldati dopo l'indurimento non
ritornano più a rammollire, ma si decompongono carbonizzandosi.
cenere
Elastomeri: sostanze naturali o sintetiche che hanno le proprietà tipiche della gomma
naturale, come la capacità di poter essere allungati diverse volte riassumendo la propria
dimensione. Vengono modellati nelle forme desiderate tramite estrusione o stampaggio
a caldo.
Gli elastomeri termoplastici , una volta stampati, possono venire nuovamente fusi.
Gli elastomeri possono diventare termoindurenti legando le une alle altre le catene di
polimero attraverso l'uso di reattivi chimici (zolfo), temperatura e pressione in un
processo generalmente chiamato vulcanizzazione. A causa di questa modificazione
nella loro struttura, una volta modellati non possono venire ulteriormente fusi.
BIOPLASICA
La bioplastica è un tipo di plastica biodegradabile
in quanto derivante da materie prime vegetali rinnovabili
annualmente. Le plastiche bio sono composte
da farina o amido di mais, grano o altri cereali.
Vantaggi :
-Producibilità di concime
-I rifiuti possono essere depositati tutti in discarica data la loro rapida biodegradabilità. Il
tempo di decomposizione può essere di qualche mese in compostaggio contro i 1000
anni richiesti dalle materie plastiche sintetiche derivate dal petrolio.
-Diminuire i contenitori dei rifiuti sul territorio (eliminando quelli di carta, vetro e materiale
plastico)
-Minori emissioni di fumi tossici nel caso di incenerimento.
-Igiene dei contenitori alimentari
Svantaggi
-Le bioplastiche possono ridurre la disponibilità di derrate alimentari, se prodotte a
partire da prodotti agricoli come il granturco (ma la previsione è dello 0,04% della
produzione mondiale annua).
-la loro coltivazione sottrae terreni prima destinati alle colture per il consumo umano e
pertanto contribuiscono alla crisi globale dei prezzi alimentari.
-La totale biodegradabilità può verificarsi solo quando questi materiali sono smaltiti
correttamente in un sito di compostaggio
Si trova in commercio?
Mater-Bi è il nome commerciale di un tipo di bioplastica brevettata e
commercializzata.
Creato a partire dall' amido di mais, grano e patata, il Mater Bi trova applicazioni
nella produzione di imballaggi, stoviglie e buste di bioplastica, in sostituzione dei
tradizionali sacchetti in polietilene.
E' stato utilizzato, a livello sperimentale, nell'ambito teatrale attraverso la creazione
di una tunica in Mater Bi.
Tutti i polimeri sono materie plastiche? NO, solo se sono “lavorabili”
Materiali POLIMERICI di uso comune:
PE (polietilene) è il polimero di più facile ottenimento e tra i più comuni. Utilizzato come
isolante per cavi elettrici, film e pellicole, borse e buste di plastica, contenitori di vario
tipo, tubazioni…..
PET (polietilene tereftalato) è l’evoluzione del PE, utilizzato per film e pellicole, anche
cinematografiche, tubi, bottiglie, contenitori…
PP (polipropilene): usato per molti oggetti di uso comune, dagli zerbini agli scolapasta!
PS (polistirene o polistirolo): usato nei più disparati settori applicativi: domestico,
industriale, alimentare (piatti, bicchieri e posate di plastica ). Si è sostituito a vetro,
alluminio e legno per le sue proprietà meccaniche ed elettriche.
In tutti questi casi la polimerizzazione è “radicalica”:
si rompe il legame debole tra carbonio e carbonio e
rimangono solo legami forti
C=C + C=C
.C-C-C-C.
PU (poliuretano) espanso, come schiuma, per materassi e imbottiture, se rigido,
per strutture termoisolanti, se elastico, per tubi e guarnizioni elastiche. Utilizzato
anche per fibre tessili (Elastam)
PV e PVC (polivinilcloruro) è la materia plastica più versatile: può essere
modellato per stampaggio a caldo nelle forme desiderate. Può essere ridotto a
film oppure disperso in solventi (acqua) con cui vengono “spalmati” tessuti o
rivestite superfici, serbatoi, valvole, rubinetti, vasche e fibre tessili. Le
applicazioni più rilevanti erano la produzione di tubi per edilizia (ad esempio
grondaie e tubi per acqua potabile), profili per finestre, pavimenti, film rigido e
plastificato per imballi e cartotecnica. Usato anche per uso tessile. Ma il materiale
diventa fragile e il monomero è cancerogeno…..
Sintesi del PU
Struttura del PVC
PARENTESI: le fibre tessili ottenute da materie plastiche si dicono sintetiche, mentre
se ottenute da cellulosa e derivati si dicono artificiali. Le fibre di lino, canapa, seta,
lana…sono invece naturali
PMMA (polimetilmetacrilato) con i nomi commerciali di Plexiglas, Perspex,
Lucite, Vitroflex, Limacryl e Resartglass. Utilizzato al posto del vetro (data
l’equivalenza delle proprietà ottiche) nella fabbricazione di vetri di sicurezza e articoli
similari, nei presidi antinfortunistici, nell'oggettistica d'arredamento o architettonica in
genere.
PA (poliammide) I composti più conosciuti che fanno parte di questa famiglia sono le
fibre tessili Nylon e Kevlar. In termini chimici, passando a sistemi naturali, anche le
proteine sono sistemi poliammidici poiché caratterizzate dal legame tra un gruppo
acido e un gruppo amminico.
Struttura chimica del Plexiglas
Struttura di una proteina
Fibre di Nylon
Ed ora una breve panoramica dei polimeri di ultimissima generazione!!
PI (poliimmide) Fa parte del tipo "materie plastiche ad alta prestazione" in quanto offre
elevate prestazioni in termini di resistenza alle alte temperature, all'usura e basso attrito.
È utilizzata per produrre boccole, anelli di tenuta e rondelle reggispinta, utilizzati
nell'industria automobilistica, aerospaziale, dei semiconduttori e in altri comparti
industriali.
PAN (poliacrilonitrile) utilizzato per la produzione di fibre sintetiche resistenti
all'invecchiamento, a tarme, ad agenti fisici e chimici e caratterizzate da notevoli
proprietà meccaniche. Utilizzato anche come precursore per ottenere fibra di carbonio
ad alta qualità.
CR39 è il trentanovesimo prodotto di una ricerca di una lunga serie di polimeri della
Columbia Research; appartenente alla classe dei poliesteri, garantisce proprietà ottiche
e meccaniche vantaggiose rispetto al vetro,
pesante circa la metà del vetro con resistenza
all'impatto 4 volte superiore. L'utilizzo principale
di questo materiale è nelle lenti infrangibili ad
uso oftalmico (occhiali).
PC(policarbonati): usati nell’ottica per le lenti degli occhiali, nell’elettronica per i
computer e per i compact disc, nel campo delle costruzioni per coperture trasparenti,
nel settore dei trasporti per i caschi e per le coperture dei fanali. Nel campo medico
nelle apparecchiature per la dialisi artificiale e per la cardiochirurgia, per la prima
infanzia (biberon, aerosol, incubatrici).
SI (siliconi o poli-silossani), sono polimeri inorganici basati su una catena silicioossigeno e gruppi funzionali organici legati agli atomi di silicio. La versatilità dei siliconi
li rende utilizzabili nei più disparati settori, ad esempio:
Adesivi
Lubrificanti
Polimeri perfluorurati: il TEFLON (PTFE)
Isolanti
Giocattoli
Settore automobilistico
Antischiuma
Protesi
Sigillature
Finiture murali
DENDRIMERO
Dendrimeri: sono i polimeri del futuro, ottenuti a partire da un core polifunzionale a cui
si attaccano, in modo ramificato, strati concentrici di monomeri di vario tipo. Forme
globulari perfette permettono di mimare gli istoni per il trasporto genico ed hanno
mostrato di legare i peptidi responsabili dell’Alzheimer prevenendo tale malattia
La nuova CARTA
La carta attualmente viene prodotta dalla pasta di legno (conifere ed alberi
ad alto fusto: l’industria cartaria utilizza circa il 12-13 % del legname
mondiale; ma vengono usati anche residui di fibre tessili e recupero di
stracci e cartoni), per trattamento con alcali e trattamenti meccanici
(sbattimento). In pratica il costituente è la cellulosa.
Un nuovo tipo di carta è stato realizzato nei laboratori dello Swedish Royal
Institute of Technology di Stoccolma sottoponendo il legno all'azione
chimica di enzimi e all'azione meccanica di particolari batteri che separano
e estraggono le fibre in sospensione acquosa senza danneggiarle. Una
volta disidratate tali fibre si aggregano spontaneamente dando vita a
superfici di "nanocarta" ultra resistente. La resistenza della supercarta è
dovuta alle caratteristiche dinamiche dei legami che si instaurano tra le
nanofibre: pur essendo unite saldamente tra loro sono libere di scivolare
l'una sopra l'altra così da dissipare tensioni e stress meccanici. Questo
materiale potrà essere utilizzato con successo in numerosi ambiti: sia come
materiale di rinforzo per applicazioni civili e industriali sia come base per la
realizzazione di tessuti biocompatibili.
Un team di ricercatori del MIT ha messo a punto un nuovo materiale in nanofibre da
polielettroliti di potassio che si assemblano in acqua creando dei micropori idrorepellenti.
Pur avendo le sembianze della comune carta, il materiale ha una straordinaria capacità
di assorbire olii e combustibili dispersi in acqua, può essere riciclata e consente di
recuperare ciò che ha assorbito. La speciale carta sarà davvero preziosa per risolvere
disastri ambientali come la fuoriuscita di greggio dalle petroliere.
VETRO
Il vetro è un materiale solido amorfo, prodotto dalla
rapida solidificazione di materiale viscoso.
Un esempio si ha versando dello zucchero fuso su una
superficie fredda. Il risultato è la formazione di un solido
amorfo, cioè privo di struttura cristallina.
Comunemente con il termine vetro si intende vetro siliceo,
cioè costituito quasi esclusivamente da biossido di silicio
(la silice, la cui forma cristallina è il quarzo) e dalla sua
forma policristallina, la sabbia. In forma pura, la silice ha
un punto di fusione di circa 2000 °C ma vengono aggiunti
carbonato di sodio o di potassio e calce che abbassano il punto di rammollimento a
circa 1000 °C.
Il vetro è trasparente (alla luce visibile, ma non all’ultravioletto),
duro, pressoché inerte dal punto di vista chimico e biologico,
e presenta una superficie molto liscia, ma è fragile e tende a
rompersi in frammenti taglienti.
Metalli e ossidi metallici vengono aggiunti nella produzione del
vetro per dare o alterare il colore.
DOMANDA: che differenza c’è tra pigmento e colorante? Il
primo si disperde, il secondo si scioglie in acqua
Vetri speciali: nuovi materiali
Il vetro al piombo come il cristallo o vetro Flint
è più brillante, perché il suo indice di rifrazione è aumentato.
Il boro è aggiunto per migliorare le caratteristiche termiche ed elettriche, come nel caso
del vetro Pyrex.
Vetro float (galleggiante) Il 90% del vetro piatto prodotto nel mondo, detto vetro float, è
fabbricato con il sistema "a galleggiamento" inventato da Alastair Pilkington, dove il vetro
fuso è versato, galleggia e si raffredda su un bagno di stagno fuso
Vetro argentato (specchio) : uno strato d'argento o alluminio aderente ad una superficie
della lastra di vetro float causa un effetto di riflessione ottica sulla superficie opposta.
Vetro temprato (o temperato)
Il vetro temprato viene ottenuto per indurimento tramite trattamento a 640 °C (tempra) di
pezzi preventivamente tagliati. Getti d’aria raffreddano rapidamente la superficie mentre
l’interno si compatta lentamente. Questo vetro è resistente, ma si frantuma in mille pezzi
Vetro laminato (stratificato) è stato inventato nel 1903 dal chimico francese Edouard
Benedictus: per una disattenzione in laboratorio è caduto un flacone rivestito da uno
strato plastico di nitrato di cellulosa e si è rotto ma senza aprirsi in pezzi.
Il moderno vetro stratificato è realizzato unendo due o più strati di vetro ordinario
alternato a un foglio plastico, a sandwich con il vetro che è poi scaldato a 70 °C e
pressato con rulli per espellere l'aria ed unire i materiali. Uno strato di polivinile procura
isolamento acustico e riduce del 99% la trasparenza alla luce ultravioletta.
Vetrata isolante (in inglese: IGU Insulating glass unit, cioè elemento vetrato isolante). È
una struttura vetrata attualmente utilizzata in edilizia, in particolare nei serramenti esterni
(finestre e porte), al fine di ridurre le perdite termiche dell'edificio. È costituita da due o
più lastre di vetro piano unite tra di loro, al perimetro, da un telaietto distanziatore in
alluminio, acciaio o polimerico e separate tra di loro da uno strato d'aria o di gas. Ha
anche un effetto di fonoisolamento rispetto alla lastra singola.
LEGHE:
Una lega è una combinazione di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo e
dove il materiale risultante ha proprietà metalliche differenti da quelle dei relativi
componenti.
A volte una lega è designata con il nome del metallo più
importante: l'oro a 14 carati è una lega di oro con altri
elementi; lo stesso accade per l'argento usato in gioielleria
e per l'alluminio usato nelle strutture.
Esempi di LEGHE di uso comune:
Acciaio composto principalmente da ferro e carbonio, quest‘
ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite,
si ha la ghisa.
Acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai ad alto
tenore di cromo, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua
Gli ottoni sono leghe rame-zinco. A basso contenuto di zinco sono lavorabili a freddo,
mentre ad alto contenuto di zinco (Max 45 %) sono lavorabili a caldo.
Il bronzo è una lega rame-altro metallo, dove il metallo aggiuntivo può essere
l'alluminio, nichel, berillio e stagno, anche se il bronzo antico viene inteso come la lega
rame-stagno.
LEGHE moderne: nuovi materiali
Lo Zamac è una lega metallica a base di zinco con percentuali di alluminio, ferro,
stagno e cadmio. La sua duttilità e modellabilità in fase di fusione lo rendono
utilizzabile in svariate applicazioni ed in particolare nel modellismo di autovetture e
mezzi militari. E' stata recentemente applicata in modo innovativo dal designer Ron
Arad nella produzione di bottiglie per profumi dello stilista giapponese Kenzō
Takada anche per la sua completa riciclabilità.
GeSbTe è una lega di Germanio, Antimonio e Tellurio. É usata nei dischi ottici
riscrivibili (DVD+RW) e nelle memorie a cambiamento di fase
(in grado di cambiare fase (da cristallina a amorfa e viceversa)
in modo reversibile e controllato per mezzo di una corrente di
programmazione che attraversa la cella di memoria). Il suo tempo
di ricristallizazione è inferiore ai 20 nanosecondi permettendo un
bit rate fino a 35MB/s in scrittura
Tra le nuove leghe, vi è l’arseniuro di gallio e alluminio (lega tra arseniuro di gallio e
arseniuro di alluminio, con proprietà di semiconduttore…. )
SEMICONDUTTORI
I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività intermedia tra i conduttori e
gli isolanti. Gli elettroni passano da una banda di valenza ad una di conduzione se
sottoposti ad opportuni campi elettrici o variazioni termiche.
I semiconduttori sono alla base di tutti i moderni dispositivi elettronici e microelettronici
quali i transistor, i diodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). I pannelli fotovoltaici
sono basati sulle proprietà di semiconduttore del silicio. Le proprietà dei semiconduttori
diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità.
Silicio e germanio sono semiconduttori intrinseci, ma diventano estrinseci se drogati:
fosforo, arsenico e antimonio hanno un elettrone in più e generano un drogaggio di tipo
n, mentre boro, gallio e indio, avendo un elettrone in meno funzionano da trappole di
elettroni e generano un drogaggio di tipo p. Qui sotto: CELLA FOTOVOLTAICA e LED
atomo di fosforo
materiale N
campo elettrico
elettrone in più
che migra verso una lacuna
rendendo questo lato
debolmente positivo
giunzione
elettrone in più
migrato in questa zona
materiale P
rendendo
questo lato
debolmente negativo
atomo di boro
CATALIZZATORI
Un catalizzatore è una sostanza, fonte o dispositivo che interviene in una reazione
chimica aumentandone la velocità ma rimanendo inalterato al termine della stessa.
Una superficie metallica spesso funziona da catalizzatore (per ottenere margarina…).
Senza i catalizzatori, molti dei moderni processi chimici industriali non avrebbero luogo,
ma altrettanto si può dire per i processi biologici: gli enzimi sono catalizzatori
Marmitta catalitica: contiene un convertitore, costituito
da centinaia di piccoli canali ricoperti da metalli nobili.
Permette l’ossidazione dei gas di scarico: idrocarburi,
ossidi di azoto e CO vengono trasformati in CO2, azoto e
acqua. Una sonda (lambda) indica il livello di ossigeno
I solidi porosi funzionano ottimamente da catalizzatori:
Le zeoliti (alluminosilicati) hanno piccoli pori tutti uguali
Nuovi materiali per la catalisi e la biocatalisi:
silici nanoporose ottenute da aggregati di
lipidi: sono la soluzione per mantenere
Inalterate le proprietà di enzimi e incentivare
reazioni biologiche.
Il punto di partenza: aggregati di lipidi (tensioattivi)
Gli aggregati originano sferette chiamate MICELLE: queste
funzionano da DETERGENTI (il più comune nello
shampoo: sodio lauril solfato); il SAPONE è fatto da
sali tensioattivi. Lo sporco (olio e grasso) si scioglie nella
parte interna, oleosa, mentre la superficie esterna è
solubile in acqua
I liposomi sono costituiti da lipidi
ma hanno una cavità interna
nella quale entra l’acqua: le
cellule hanno una membrana
liposomica che filtra i nutrienti.
Le cellule sono il materiale
più antico e più moderno…….
Ogni oggetto di uso quotidiano può contenere un nuovo materiale……Provate a
chiedervi
1. Di quali fibre sono fatti i vostri indumenti?
2. Quali pigmenti o coloranti sono stati usati per tingerli?
3. Una crema cosmetica o farmaceutica di cosa è fatta (INCI= l’international
nomenclature of cosmetic ingredients ha più di 6000 voci!)? Lo sapevate che i
rossetti contengono scaglie di aringhe?
4. E i farmaci e medicine che prendiamo in caso di malattia?
5. Quali materiali compongono gli oggetti che usate di più (ad esempio il telefonino!)?
6. Come mai la pelle delle scarpe può essere lucida o opaca, morbida o dura e le suole
possono “respirare”?
7. Cosa sono i conservanti negli alimenti?
8. Come è fatto uno schermo
televisivo al plasma……
(plasma=gas ionizzato, di solito
gas nobili)
AVETE
DOMANDE??