Nanomateriali Gianluca Malavasi Dipartimento di Chimica – Università di Modena e Reggio Emilia Nanomateriali Gianluca Malavasi gmalavasi@unimo.it 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) nm Molecole Macromolecole Nanomateriali micro-Materiali 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 ‘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. 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

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

con Nanotubi di Carbonio Fibra di Carbonio Legno Racchetta rinforzata con Nanotubi di Carbonio Acciaio -Leghe Oggi Anni’40 Anni’80 Anni’90 Futuro??? Andy Roddick 246,2km/h Queen's Club, UK 11/06/2004. V=>250Km/h ?????? <200 Km/h <230 Km/h

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.

Processore = contiene transistor Elettronica “1975 - Il numero di transistor (e quindi la potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi” 5 cm 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 nanotransistor nel processore 50000000 nm = 1562500 nanotransistor per lato x 1562500 = 2.44 x 1012 32 nm ogni 32 nm ci sta un nanotrnasistor

Nel 2001 si credeva che si sarebbe scesi sotto i 9 nm solo nel 2016! 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 NANOTRANSISTOR NEC: 5 nm (18 volte più piccolo di quelli ora in produzione) ORO Piridina + Co + S SiO2 Nel 2001 si credeva che si sarebbe scesi sotto i 9 nm solo nel 2016!

Aerogel Anche la meringa è un 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 Immagine HRTEM 2 nm 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 oro in forma ionica (Au+) Vetro incolore contenente nanoparticelle di oro (Nano-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