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I materiali nanostrutturati

There's plenty of room at the bottom
(C'è un sacco di spazio giù in fondo)
[Richard Feynman, 1959]


I materiali nanostrutturati sono quei materiali le cui proprietà strutturali dipendono da componenti di cui almeno una delle 3 dimensioni è nanometrica (1 nm = 10-9 m).
Di conseguenza le nanotecnologie sono tali da poter operare anche su scala nanometrica e "interagiscono" con tutto ciò che avviene su questa scala. E tutto ciò che avviene su questa scala è differente da quello che avviene su scale maggiori. Ad esempio alcune proprietà come la struttura elettronica e la conducibilità cambiano quando le dimensioni in esame sono più piccole di una certa dimensione "limite".


Attualmente si distinguono diverse tipologie di nanostrutture:

  • quantum well: in cui solo una delle due dimensioni è su scala nanometrica mentre le altre due sono macroscopiche;
  • quantum wire: se il confinamento si ha in due delle 3 dimensioni;
  • quantum dot: se il confinamento si ha nelle 3 dimensioni.

Indice

Un pò di storia per cominciare...

L'inizio delle nanotecnologie ha la sua collocazione storica nel discorso di Richard Feynman nel 1959 intitolato "There's plenty of room at the bottom".
Tale discorso si è rivelato fondamentale e profetico, in un certo qual senso, per la sua carica per certi versi anche innovativa. Si segnala a tal punto una frase del discorso del fisico statunitense, che all'erpoca risultò inattesa e nuova per i suoi contenuti:

I principi della fisica, per quanto posso giudicare, non si oppongono alla possibilità di manipolare gli oggetti atomo per atomo...


Per chi volesse approfondire il discorso di Feynman vi rimando qui.

Richard Feynman

Richard Feynman

Tecniche di produzione

Precedentemente abbiamo classificato le nanostrutture, però classificare i materiali nanostrutturati risulta difficile e quindi si usa fare riferimento (per la loro classificazione) alle tecniche di produzione impiegate. Si possono citare due tecniche di produzione:

  • approccio top-down;
  • approccio bottom-up.

Top-down

Tra i processi facenti parte di questo tipo di approccio rilevanti sono le tecniche fotolitografiche. La litografia ottica ad esempio ne è uno di questi. La diminuzione progressiva della lunghezza d'onda utilizzata ha permesso di arrivare a dimensioni inferiori ai 100 nanometri. Invece un'altra tecnica come la litografia a fascio elettronico permettono di fornire anche strutture di 20 nanometri. Il disegno da trasferire sul substrato viene scritto scansionando la superficie con un fascio di elettroni. Talvolta, al posto degli elettroni, è possibile utilizzare anche un fascio di ioni.
Altri tipi di litografie sono le tecniche di soft lithography le quali utilizzano uno stampo come una sorta di "maschera" litografica per trasferire il disegno. Tecniche come queste sono in grado di ottenere strutture anche dell'ordine di poche decine di nanometri su superfici curve.

Bottom-up

Tali tecniche prevedono l'utilizzo delle nanostrutture come mattoni da assemblare per ottenere un materiale nuovo. Ovviamente le proprietà dei singoli mattoni, cioè delle singole nanostrutture, influenzano in modo rilevante le proprietà del materiali.

Uno sguardo generale sulla produzione delle nanostrutture

Daremo ora uno sguardo generale sulla produzione delle nanostrutture, indipendentemente dal tipo di approccio top-down o bottom-up.

Nanoparticelle

Per la loro fabbricazione sono indispensabili diversi requisiti. Cioè le condizioni di processo devono essere monitorate in modo che le nanoparticelle che si ottengono abbiano le seguenti caratteristiche: dimensione ridotta, dimensione identica per tutte le particelle, uguale forma, composizione chimica identica per tutte le particelle ed assenza di agglomerati.
Descriviamo brevemente alcuni dei processi:

  • ball milling: il materiale viene polverizzato in dimensioni intorno a quelle del millimetro e viene successivamente immesso in una specie di centrifuga riempita di sferette di carburo di tungsteno; le collisioni procurano attrito meccanico, fratture del materiale e reazioni chimiche. Dopo il ball-milling si può procedere a trattamenti termici per modificare opportunamente la dimensione media delle particelle. Il processo è semplice e viene il più delle volte eseguito in atmosfera inerte o in alto vuoto adoperando sfere di materiale duro ed inerte per evitare il rischio di contaminazioni;
  • elettrodeposizione: due elettrodi vengono immersi in una soluzione e ad essi viene applicata una differenza di potenziale; si verifica in soluzione un flusso di ioni bilanciato dalla corrente che scorre nel circuito esterno e si ottiene così la deposizione del materiale;
  • condensazione da gas: si lavora in vuoto con una pressione di 10-5 Pa. Il materiale viene fatto evaporare in uno o più crogioli termicamente con un cannone elettronico. Gli atomi o molecole evaporati si uniscono e formano particelle di diverse dimensioni le quali vengono raccolte su un dito freddo dal quale vengono a loro "prelevate".

Nanofili

Sono distinguibili quattro categorie di tecniche di produzione di nanofili:

  • crescita spontanea: si ottiene la formazione di nanofili a cristallo singolo lungo una direzione di crescita preferenziale, lungo la quale la crescita è più rapida che altrove. Una delle tecniche appartenenti a questa categoria è il VLS, cioè il meccanismo vapore-liquido-solido che prevede l'assorbimento del materiale da crescere in fase vapore su una goccia liquida che contiene un metallo catalizzatore. La goccia è così un sito preferenziale per l'assorbimento dei reagenti gassosi e agisce in seguito da seme di nucleazione per la cristallizzazione. Il seme a sua volta è sito preferenziale per l'ulteriore deposizione di materiale e quindi per l'allungamento nella direzione scelta;
  • sintesi con templati: i templati contengono pori di forma cilindrica piccoli e gli spazi vuoti sono colmati con l'aggiunta di precursori liquidi. Fondamentale è una buona bagnabilità dei pori per consentire la penetrazione e il perfetto riempimento degli stessi. Il materiale del templato deve essere chimicamente inerte;
  • litografia;
  • elettrofilatura: un forte campo elettrico viene applicato su di un fluido polimerico, generando una forza elettrostatica che permette la formazione di un getto che si proietta in direzione dell'elettrodo opposto. L'evaporazione del solvente porta alla solidificazione della fibra, indirizzata poi ad un dispositivo opportuno di raccolta posto nelle vicinanze del catodo.

Film sottili

Brevemente, i film sottili presentano spessori variabili dalle centinaia di nanometri ai pochi nanometri. I metodi di produzione dei film sottili sono sostanzialmente ascrivibili a due categorie: deposizione da fase vapore e crescita da liquido.

Campi di applicazione

Vediamo insieme alcuni dei campi di applicazione dei materiali nanostrutturati.

Ambiente

La ricerca è concentrata sulla catalisi eterogenea. I processi catalitici sono importanti sia per la produzione di sostanze che nei sistemi di riduzione delle emissioni di inquinanti. Ne è un esempio l'impiego, oramai sempre più vasto di marmitte catalitiche per le auto dove le emissioni di inquinanti sono sempre minori.
In sistemi come questo il catalizzatore è un metallo nobile disperso in forma nanometrica in una matrice ceramica. La ricerca attualmente si sta sviluppando sia nel verso della comprensione dei fenomeni di catalisi a livello atomico e molecolare sia nel cercare di ottimizzare i costi e quindi la quantità di catalizzatore. Infatti il metallo nobile è molto costoso e quindi si sta cercando di sviluppare catalizzatori che riducano quanto il più possibile il carico di metallo nobile.
Sempre relativamente alla diminuzione di inquinante un'altra applicazione è rappresentata dalle membrane selettive, in cui si fa ricorso a dei setacci molecolari che permettono il passaggio solo di molecole di dimensione più piccola di una certa dimensione critica.
Un'altra applicazione è quella della sensoristica di gas usata in ambito civile e militare per la rilevazione di gas tossici, ma anche in campo alimentare dove è possibile riconoscere, in tal modo, gli aromi e controllare lo stato di conservazione degli alimenti.

Elettronica

Grande sviluppo in tal senso hanno ricevuto i nanotubi di carbonio.

nanotube.jpg

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Essi vengono utilizzati come emettitori per lo sviluppo di schermi piatti innovativi. Ciò è favorito dalle proprietà particolari dei nanotubi di carbonio quali resistenza meccanica, piccolo raggio di curvatura, conducibilità ed inerzia chimica.


Anche i materiali magnetici hanno osservato un certo progresso. Ad esempio gli hard disk dei computer dipendono dalla capacità di magnetizzare piccole aree del disco per registrare l'informazione. Se l'area necessaria per memorizzare un'informazione appartiene alla nanoscala la capacità di memoria del disco aumenta enormemente. Uno spinta in questo senso viene anche da una nuova scienza, la spintronica, che affida la codifica binaria allo spin dei portatori anziché alla modulazione della carica elettrica. Lo spin avendo due sole configurazioni possibili si presta subito all'implementazione del codice binario.

Bibliografia

Scienza e tecnologia dei materiali - Hashemi, Smith.

E con questo sono 20...

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Chi ha potuto seguirmi su EY avrà notato la mia "ermeticità" soprattutto negli articoli. Colgo però l'occasione, con la pubblicazione del 20° articolo di ringraziare quanti mi hanno aiutato a scriverne così tanti, dandomi consigli e suggerendomi modifiche e/o accorgimenti (parlo di RenzoDF, IsidoroKz, DirtyDeeds, g.schgor che mi hanno aiutato in certi frangenti suggerendomi modifiche all'articolo ma se mi dimentico di qualcuno perdonatemi e fatemelo notare perchè il ringraziamento è più che doveroso) e permettendomi di ricevere gratifiche in termini di apprezzamento dai vari utenti.



Permettetemi di ringraziare personalmente in particolare uno su tutti e cioè admin , che costantemente ma soprattutto pazientemente mi ha prestato aiuto dal primo al ventesimo articolo.


Grazie e.....alla prossima!

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Commenti e note

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di ,

Grazie a te per l'apprezzamento giuliomega :)

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di ,

Una volta un vecchio ingegnere prese del PEEK: poly eter eter ketone, in temperatura aggiunse un pizzico di S in soluzione acida ottenendo uno SPEEK, un Sulfonated Poy Eter Eter Ketone. Un giorno poi decise di sintetizzare del tetraossido di stagno idrato: SnO2xnH2O. Quell'ossido di stagno era stato prodotto su scala nanometrica... Portando a temperatura lo speek, aggiungendo un templante e versandoci lo stagno dentro si ottenne qualcosa di interessante. Una membrana polimerica resistente in ambiente ossidante/riducente fino a 150°C, ma era un'altra la cosa interessante: la membrana ottenuta era conduttrice ionica protonica, non faceva passare elettroni ma ioni H+. E cosa ci facciamo con una schifezza del genere? La inseriamo tra anodo e catodo di una cella a combustibile a idrogeno per realizzare un motore per autotrazione. Poi a Noi italiani le cose che funzionano non ci piacciono e vendiamo a due soldi i brevetti alla Toyota. E tutti vissero felici e contenti. Un saluto e grazie per l'articolo che ha rievocato in me eventi del tardo paleolitico. Giulio Passarini

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