L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri
SETTIMANA DELLA SCIENZA
DEI MATERIALI
03-07/11/2008
SINTESI DEGLI OPALI E LORO ANALISI
AL MICROSCOPIO ELETTRONICO A
SCANSIONE (SEM)
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OPALI
Gemme naturali composte prevalentemente
da sferette di silice (SiO2) del diametro di 200400nm strettamente impaccate in modo
regolare.
Particolarità: se il minerale viene colpito da
raggi luminosi, mostra riflessi cangianti.
Questo è dovuto alla nanostruttura della
gemma che si comporta come un reticolo di
diffrazione nei confronti della luce incidente.
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Reticolo di diffrazione
Sistema composto da molte fenditure vicine tra loro e a distanza costante che, se
attraversato dalla luce, causa una flessione. Durante l’esperienza ci è stato specificato
uno dei modi di propagazione della luce, e cioè la diffrazione. Se si fa passare della
luce attraverso una fenditura e si riduce questa fessura, a differenza di quanto si
possa pensare, l’immagine proiettata sullo schermo non si restringe
proporzionalmente, bensì si allarga e viene offuscata. Questo accade perché le onde
luminose che colpiscono i bordi della fessura non proseguono in direzione rettilinea,
ma invadono la zona d’ombra e deviano di un angolo che dipende dalla lunghezza
d’onda e dalle dimensioni dell’ostacolo. L’intensità della diffrazione nelle varie
direzioni rispetto alla direzione originaria dell’onda incidente dipende dalla forma e
dalle dimensioni delle particelle ma non dalla loro composizione o dalla natura della
loro superficie. Se la luce viene fatta passare attraverso molte fenditure vicine tra loro
e a distanza costante, si ha una flessione della luce e il sistema composto da queste
fessure si chiama RETICOLO DI DIFFRAZIONE (come nel caso degli opali). Anche le ali
delle farfalle sono strutturate secondo la stessa modalità e riflettono diversi colori.
L’opale appare allora del colore che corrisponde alla lunghezza d’onda ( ʎ ) della luce
diffratta e alla dimensione delle sferette.
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SCOPO DELLO STUDIO
Gli opali vengono studiati per le loro proprietà ottiche al
fine di analizzare e approfondire le caratteristiche di un
materiale con la struttura inversa: l’opale inverso.
Si tratta di creare un insieme di celle vuote circondate
da silice e studiare il loro comportamento nei confronti
della luce incidente. Questa sostanza trova applicazione
nella sensoristica dei gas nocivi (utile per rilevarli
attraverso la colorazione) e nella fotonica avanzata.
Quest’ultima è la branca dell’ottica che studia il modo
di controllare la propagazione dei singoli fotoni che
compongono la luce. Poiché le strutture create sono
una sorta di filtri per selezionare le diverse lunghezze
d’onda, cambiando il diametro dei fori e scegliendo
quali lunghezze d’onda filtrare, l’opale inverso può
avere come scopo quello di “guidare” la luce.
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DESCRIZIONE DELL’ESPERIENZA:
SINTESI DEGLI OPALI
STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI:
• metacrilato di metile 99%
• 0.06 g di attivatore
• ampolla da 100 ml
• ancoretta metallica
• acqua distillata
• piastra riscaldante
• refrigeratore per l’acqua
• bombola di azoto e flussimetro
• cappa aspirante
• cilindri graduati
• vetrino di orologio
• bilancia
• pellicola parafilm
• 2 provette di plastica e propipetta
• centrifuga
bombola di azoto
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DUE FASI PRINCIPALI:
1.
2.
1.
Preparazione della sospensione del monomero (metacrilato di metile) e
polimerizzazione a temperatura controllata;
Centrifugazione ed essicazione dell’opale;
Si versano 20ml di H2O distillata prima in un cilindro graduato e successivamente
nell’ampolla; si mettono poi nell’ampolla 4,5 ml di metacrilato di metile
(CH2CCH3COOCH3) che precedentemente era stato versato in un cilindro
graduato coperto con il parafilm. Intanto viene aperta la bombola di azoto
affinché questo dia inizio alla reazione e si accende la piastra riscaldante che
porta la temperatura a 80°C. Infine si pesano 0,06g di attivatore utilizzando la
bilancia e il vetrino di orologio e, raggiunta la temperatura, si versa l’attivatore
all’interno dell’ampolla sciacquando il vetrino con un po’ di H2O per eliminare i
residui.
La soluzione creata viene lasciata nell’ampolla per 40min alla temperatura di
circa 80°C. Trascorso questo tempo si nota che i monomeri di metilmetacrilato
si sono polimerizzati.
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Polimerizzazione del
metacrilato di metile
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2.
La soluzione ottenuta viene versata dall’ampolla in due provette di
plastica in quantità uguale, queste saranno poi introdotte in una
centrifuga e sottoposte a una velocità di 6000 giri al minuto per una
durata di 20 minuti. Ciò viene fatto affinché si impacchino le sferette
componenti gli opali. Esse sono in questo modo sottoposte a una forza
che equivale a 3000 volte il loro peso e si muovono a una velocità di 180
km/h.
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Provette inserite nella centrifuga
Si può già notare l’iridescenza rosa sul
bordo dell’ampolla, tipica dell’opale
Dopo aver estratto le provette dalla centrifuga si
preleva grazie ad una propipetta il liquido formatosi in
ognuna di esse e, in seguito, si ripongono per altri dieci
minuti nella centrifuga. Infine si versa il contenuto (in
quantità minime) in un vetrino e si lascia asciugare per
poi osservare la luce che viene diffratta e dedurre le
dimensioni delle nanosfere che compongono gli opali
prodotti, confrontando i valori con la seguente tabella
(porzione dello spettro elettromagnetico del visibile):
ʎ - nm
colore
750-630
Rosso
630-600
Arancio-rosso
600-590
Arancio
590-570
Giallo
570-550
Giallo-verde
550-510
Verde
510-480
Blu-verde
480-450
Blu
450-420
Blu-violetto
420-380
violetto
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Il fascio di luce bianca che attraversa le
sfere e gli interstizi che le separano viene
diffratto, scomponendosi in tutti i colori
dello spettro, che si rivelano ad ogni
minima rotazione della pietra.
Il colore dominante è dato dalle dimensioni
delle microsfere: quelle più grandi danno il
rosso che possiede maggiore lunghezza
d’onda (630 -750nm), e decrescendo si
arriva a quelle più piccole (450 - 480nm
circa) che originano il blu.
Nel nostro caso la luce diffratta è di colore
rosa, dunque il diametro delle sferette
componenti gli opali risulta abbastanza grande
e corrisponde a circa 630nm poiché la sua
dimensione è paragonabile a quella della
lunghezza d’onda della luce difratta.
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Se il fascio luminoso colpisce gli opali
appoggiati su uno sfondo nero la luce viene
riflessa. Gli opali che per diffrazione generano
luce rosa riflettono luce verde, mentre quelli
che possiedono sferette di dimensioni minori
riflettono luce blu.
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Opali creati senza azoto
Opali realizzati con azoto
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INCIDENZA DELL’AZOTO SULL’ESPERIMENTO
Sorprendente è il fatto di aver creato gli opali anche in assenza di
azoto, iniziatore della reazione. Si sono svolte due esperienze
parallele. Abbiamo potuto notare come nonostante un gruppo,
per problemi tecnici, non abbia usufruito dell’azoto, sia riuscito ad
ottenere ugualmente il minerale, riscontrando alcune differenze
morfologiche.
La dimensione delle sferette degli opali creati utilizzando l’azoto
come iniziatore della polimerizzazione è risultata maggiore
rispetto a quella degli opali realizzati senza l’azoto.
Pertanto ne è perseguita una variazione nella diffrazione della
luce. Nel primo caso l’opale tende ad una colorazione rossa; nel
secondo gialla.
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La polimerizzazione avviene in tre fasi:
1. Fase di iniziazione
2. Fase di propagazione
3. Fase di terminazione
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Fase di iniziazione
NH
CH3
C
C
CH3
N
N
C
NH2
NH
C
H2N
2
NH
CH3
C
C
H 2N
CH3
CH3
2,2 diazo (2-metilpropionammide) cloridrato
NH
CH3
C
C
CH3
+ H 2C
CH3
NH
C
CH3
C
H2N
N
C
CH3
CH2
C
H 2N
CH3
C
O
O
CH3
COOCH3
N
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Fase di propagazione
NH
CH3
C
C
CH3
CH2
CH2
+n
C
H2C
C
H2N
CH3
NH
COOCH3
CH3
C
C
COOCH2
CH3
CH2
CH3
C
CH2
C
H2N
CH3
COOCH 3
COOCH3
n
Fase di terminazione
NH
CH3
2
C
H2N
C
CH3
CH2
C
CH3
CH2
NH
C
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CH3
C
C
CH3
NH2
CH2 C
CH2 C
H2N
CH3
COOCH 3
COOCH 3
CH3
COOCH 3
n
NH
CH3
C
C
CH3
CH2
C
n
CH3
CH2
NH
CH3
C
+
C
NH2
C
H2N
CH3
COOCH 3
COOCH 3
CH3
HN
n
NH
CH3
C
C
CH3
CH2
C
NH2
CH2
C
H2N
CH3
COOCH3
n
NH
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Poiché l’opale è un minerale composto da silice idrata (SiO2·nH2O) e il suo contenuto
di acqua può arrivare a essere del 20%, un riscaldamento di campioni di opale può
causarne la disidratazione e, pertanto, la perdita dell’effetto di opalescenza. Una
parziale reidratazione è ottenibile con prolungata immersione dei campioni
danneggiati in acqua.
Frammenti di opali creati
in laboratorio
Opali naturali
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OSSERVAZIONE: OPALI E OPALI INVERSI AL SEM
Grazie all’osservazione al microscopio elettronico si può notare che gli opali appaiono
sottoforma di sferette tutte uguali e strettamente impaccate, il cui diametro varia tra i
300nm e i 700nm. Gli opali inversi sono costituiti, invece, da uniformi spazi vuoti sferici
circondati da pareti solide (simile alla conformazione del nido d’api).
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Opale
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Opale inverso
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Microscopio Elettronico a Scansione
(SEM)
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Opali e... Coleotteri!
Il Pachyrhynchus argus, coleottero che vive nelle foreste del Queensland nordorientale in Australia, produce una struttura cristallina fotonica analoga a quella
dell'opale, che gli dona un colore metallico relativamente uniforme. Il colore
deriva da scaglie piatte molto sottili che si formano sulla cima e sui lati del corpo
dell'insetto. Le scaglie consistono in un guscio esterno e in una struttura interna,
una griglia solida di nanosfere trasparenti organizzate in strati piatti secondo un
preciso ordine esagonale. Questa struttura consente alla luce di rompersi e di
venire riflessa nello stesso modo che si osserva negli opali. A differenza delle
pietre preziose, però, l'opale del punteruolo è creato da “fabbriche chimiche”
all'interno delle cellule, una tecnica che può essere copiata dai produttori di opali
sintetici per facilitarne la realizzazione.
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Questa esperienza si è rivelata molto utile e istruttiva. Abbiamo
potuto usufruire di una vasta strumentazione che ci è stata
precedentemente presentata. Inoltre, siamo stati appagati dal
fatto di essere riusciti autonomamente a sintetizzare degli
opali, nonostante l’insicurezza nell’ottenere il risultato
sperato a causa dell‘assenza di azoto per motivi tecnici.
Grande interesse è stato dimostrato per il SEM (Microscopio
Elettronico a Scansione) di cui abbiamo appreso il
funzionamento e le capacità sfruttandolo nell’osservazione
dei campioni prodotti. Grazie a questo progetto ci è stata data
la possibilità di sperimentare direttamente nozioni teoriche
ricevute a scuola, e di vivere un’esperienza in laboratorio,
utile anche a chiarire le idee in vista della futura scelta
universitaria.
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Bibliografia:
-
www.wikipedia.it
www.unipd.it
www.encarta.it
www.rsc.org
www.lescienze.it
Le foto che documentano l’esperimento sono state scattate durante l’esperienza
al Liceo Scientifico “G. Bruno” di Mestre e al Laboratorio di Scienza e
Tecnologia dei Materiali dell’Università Ca’ Foscari di Venezia
Ricerca a cura di:
Lazzarin Lorianna, Novello Lisa, Zampieri Sabrina
Liceo Scientifico Statale “E. Majorana - E. Corner” Mirano, Venezia