Dipartimento di Chimica – Università di Modena e Reggio Emilia
Nanomateriali
Gianluca Malavasi
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http://155.185.2.170/sitiwebgruppi/GruppoSCCS/indexMalavasi.htm
Due definizioni utili
Sono definiti come nanomateriali quei materiali che hanno
componenti strutturali con almeno una dimensione
nell’intervallo 1-100 nm
Nanotecnologia
è lo studio dei fenomeni e della
manipolazione dei materiali a livello atomico e molecolare.
Bottom-up approach (approccio chimico)
100
10
1
0 nm
Molecole
Nanomateriali
micro-Materiali
Macromolecole
Top-down approach (approccio fisico)
La nanotecnologia nella natura
La natura vivente sta molto a
cuore ai nanotecnologi. In effetti,
nei suoi quattro miliardi di anni di
esistenza, la natura ha trovato
soluzioni a volte sorprendenti ai
suoi problemi.
Una caratteristica frequente è la
capacità della materia vivente di
autostrutturarsi fino al livello più
fine, e cioè al livello degli atomi.
Ed è precisamente quello che
vogliono
fare
anche
i
nanotecnologi.
l nasturzio mantiene pulite le
sue foglie grazie all’effetto “loto”
Limiti della natura, vantaggi dei prodotti artificiali
Biomineralizzazione
La biomineralizzazione è l'insieme dei processi mediante i quali gli organismi inducono la deposizione
di una fase minerale. Questa è una scienza multidisciplinare che spazia in vari campi; nella chimica,
nella biologia e nella geologia. I biominerali sono caratterizzati dall'avere una matrice organica
associata con la fase minerale. La fase organica è ritenuta responsabile del controllo sul processo di
deposizione.
Biomineralizzazione ‘naturale’ – Il cesto di
Venere
(spugna)
è
un
capolavoro
della
biomineralizzazione: piccole paricelle di biossido di
silicio (3nm di diametro) collegano le cellule della
spugna in strati sottilissimi. Questi strati si
avvolgono fino a formare delle spicole silicee,
l’elemento di base della struttura della spugna, in
grado di resistere a forti variazioni di pressione.
Alta resistenza ad alte P
Biomineralizzazione
‘tecnica’
Le
nanoparticelle riparano i denti. Se i denti sono
molto sensibili al freddo o all’acidità, di norma è
perché i tubuli dentinali, piccoli canali nella
corona del dente, rimangono esposti. Questi
canali si otturano dieci volte più rapidamente
con le nanoparticelle di fosfato di calcio
(apatite) e di proteine messe a punto dalla ditta
SusTech che non con i preparati classici a base
di apatite. Lo strato di materiale rimineralizzato
nella bocca si comporta come materiale dentale
naturale.
La nanotecnologia è natura pura, tuttavia le possibilità della materia vivente
sono limitate: non può ad esempio sopportare le alte temperature, come la
ceramica, e non è compatibile con i conduttori metallici. Le tecnologie
moderne permettono invece di creare condizioni artificiali estreme, in
termini di purezza, freddo, vuoto, nelle quali la materia rivela proprietà
sorprendenti.
Nanomateriali
1 nm
A seconda della dimensionalità si definiscono
alcune tipologie tipiche
I nanomateriali possono essere realizzati con approcci:
-“top down”
che portano alla creazione di strutture molto piccole partendo da
pezzi più grandi, per esempio mediante etching per creare circuiti sulla superfice di
un microchip di silicio
-“bottom up” mettendo assieme atomo dopo atomo o molecola dopo molecola. A
questo scopo viene sfruttata la capacità che hanno certi atomi o molecole di
autoassemblarsi in ragione della loro natura e di quella del substrato.
Nanotubi di carbonio
Nanotubi di
carbonio
Molecola di Fullerene
(C60)
I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni
che consistono di cilindri di grafene. Furono scoperti nel
1991 da S. Iijima quasi per caso, durante la sintesi di
fullereni per evaporazione ad arco.
A cosa serviranno i nanotubi?
Nanocircuito (IBM)
Proprietà
Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli)
Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaio
Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio
Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del
rame
Stabilità: resistono fino a 2800°C
Costi: 150 volte più dell’oro
Future applicazioni
Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100
volte più piccoli di quelli attuali
Sonde chimiche: per scansionare le molecole
Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani
Nanopinze: per afferrare le molecole
Nanobilance: per pesare gli atomi
Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno
Fibra di
Carbonio
Legno
Racchetta
rinforzata
con
Nanotubi
di
Carbonio
Acciaio -Leghe
Anni’40
<200 Km/h
Anni’80
<230 Km/h
Anni’90
Oggi
Futuro???
Andy Roddick 246,2km/h
V=>250Km/h
Queen's Club, UK
11/06/2004.
??????
Unità di memoria:
i nanotubi possono formare “incroci” (crossbar) mediante
l’applicazione di un campo elettrico. Dopo la rimozione di tale campo,
sono le forze molecolari a mantenere la connessione, e si ottiene
così un meccanismo per la memoria.
Elettronica
“1975 - Il numero di transistor
(e quindi la potenza di calcolo)
raddoppia ogni 18 – 24 mesi”
Processore =
contiene
transistor
Nano-Elettronica:
Produzione dei nanotransistor
Intel
Necessario un salto
di qualità scientifico
e tecnologico: verso
i nano computer?
Le
industrie
investono
sulla
rivoluzione
delle
nanotecnologie, segnando
l’ingresso in un mondo
nuovo
Facciamo un po’ di calcoli!!!!
5 cm = 50 mm = 50000 μm = 50000000 nm lato del processore
50000000 nm
32 nm
ogni 32 nm ci sta un
nanotrnasistor
nanotransistor nel
processore
= 1562500 x 1562500 = 2.44 x 1012
nanotransistor
per lato
1 cm2 di silicio potrà ospitare 40 miliardi di nanotransistor,
150 volte più del numero attuale. Un transistor 20 mila volte
più sottile di un capello
ORO
MOLECOLA
ORO
SiO2
Nel 2001 si credeva che si
sarebbe scesi sotto i 9 nm
solo nel 2016!
NANOTRANSISTOR NEC:
5 nm (18 volte più piccolo di
quelli ora in produzione)
Piridina + Co + S
Aerogel
L'aerogel è una sostanza allo stato solido simile al gel nella quale il
componente liquido è sostituito con gas. Il risultato è una schiuma
solida con parecchie proprietà particolari (sistema solido-gas).
Anche la meringa è un aerogel
Grazie a tecniche di sintesi sol-gel si riescono a produrre diversi tipi di Aerogel.
L'aerogel di SiO2 è la sostanza solida meno densa conosciuta, ovvero la più leggera
per metro cubo; è composta dal 99,8% di aria e dal 0,2% di SiO2 diossido di silicio
(silice), il principale componente del vetro. L'aerogel è 1000 volte meno denso del
vetro, sopporta altissime temperature ed è un ottimo isolante termico
e presenta un’ottima resistenza meccanica.
Alcuni catalizzatori sia eterogenei ed omogenei
nelle scala delle nano-dimensioni (nanoparticelle)
Nanoparticelle di oro per i nuovi catalizzatori
2 nm
Immagine
HRTEM
L'oro contro i cattivi odori: I catalizzatori a nanoparticelle d’oro vengono
ora testati come dispositivi per l’eliminazione dei cattivi odori. Nei piccoli
impianti di climatizzazione come quelli delle automobili possono impedire la
formazione degli odori generati dai batteri presenti nel sistema. In Giappone
sono già utilizzati nei gabinetti.
Vetro incolore contenente
nanoparticelle di oro
(Nano-Au)
Vetro incolore
contenente oro in
forma ionica (Au+)
I vetrai tedeschi lo fecero
inconsapevolmente, ma oggi è realtà:
le nanotecnologie rappresentano un
sviluppo anche nel campo artistico...
Unità di Memoria: Memoria principale a cambiamento di fase
(Phase Change RAM)
Uno sguardo al presente e al futuro:
i nanomateriali nelle automobili
I parabrezza possono diventare resistenti ai graffi grazie a rivestimenti a
base di nanoparticelle molto dure prodotti con tecniche sol/gel; il vetro
rimane totalmente trasparente in quanto le nanoparticelle sono così piccole
che non disperdono la luce.
La vernice delle automobili potrebbe avere una struttura a petalo di loto che
fa scorrere via lo sporco.
I parabrezza con rivestimenti a nanoparticelle potrebbero anche servire alla
climatizzazione dell'abitacolori flettendo, in misura maggiore o minore, la
luce e il calore mediante un controllo elettronico. Applicata agli uffici, una
tecnica di questo tipo consentirebbe di risparmiare grandi quantità di
energia.
La vernice delle automobili potrebbe essere progettata, grazie alla
nanotecnologia, come una cella solare. La corrente generata potrebbe
servire a ricaricare la batteria quando il veicolo è parcheggiato o mantenere
fresco l’abitacolo con l’aiuto di una pompa di calore.
…quindi per concludere ci possiamo immaginare un
futuro (quasi presente) in cui i nanomateriali
giocano un ruolo fondamntale