Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Guide d’onda La tecnica sol-gel lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 La guida d’onda Struttura lineare conduce fasci di luce in un percorso compreso tra due estremità consentendone una propagazione guidata lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 La guida d’onda Strato Sol-Gel SiO2 /TMSPN SiO2 Si lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Lo strato sol-gel Strato con indice di rifrazione maggiore rispetto ad aria e SiO2. Permette la riflessione totale e quindi la conduzione della luce Formato da una parte organica fotopolimerizzabile (TMSPM) e da una parte inorganica TiO2 che garantisce l’elevato indice di rifrazione. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

La chimica del carbonio elemento del IV gruppo come il SILICIO ha 4 elettroni di valenza, ibridizza acquisendo la capacità di formare 4 legami covalenti puri identici fra di loro e direzionati ai vertici di un tetraedro, forma catene C---C lineari, ramificate o cicliche, alla base di molecole di grande complessità formate da CARBONIO e IDROGENO: gli IDROCARBURI CH4 metano CH3CH3 etano CH3CH2CH3 propano HC2 CH2 etilene lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 I 4 elettroni del carbonio si trovano su orbitali diversi: 2 accoppiati sull’orbitale S e due spaiati su orbitali di tipo P. L’ ibridazione è il riposizionamento degli elettroni su 4 orbitali identici fra loro chiamati SP3 IBRIDAZIONE: C TETRAEDRO: C IDROCARBURI: C C C C C catena lineare catena ciclica C catena ramificata lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 I gruppi funzionali I composti organici ternari, formati da C, H e O hanno caratteristiche molto diverse tra loro e si possono classificare attraverso il proprio gruppo funzionale R OH Gruppo ossidrile caratteristico degli ALCOLI CH2CH2OH R COOH Gruppo carbossilico caratteristico degli ACIDI CH3COOH R O R Gruppo caratteristico degli ETERI CH3CH2 O CH2CH3 lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Polimerizzazione Una delle reazioni più importanti dei composti organici: unione di molte molecole piccole per formare molecole lunghissime Il composto costituito da queste macromolecole si chiama POLIMERO ed il composto semplice che ad esso da origine MONOMERO per ADDIZIONE n HC2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 etilene polietilene POLICONDENSAZIONE H2NRCO OH + H NH RCOOH + 2 lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 La chimica del Silicio Il SILICIO, anche se appartiene allo stesso gruppo del carbonio, forma legami meno stabili che possono essere ossidati; Si Si Si O Si O grazie a questo legame si formano con facilità catene più stabili: la Silice Si O Si O Si O Si O In forma cristallina è il quarzo, mentre, quando è disordinato (amorfo), costituisce la componente base dei VETRI Le fibre ottiche hanno come struttura di base materiali vetrosi !!!!. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 VETRO Sostanza amorfa, omogenea, trasparente, allo stato solido ma non cristallino liquido ad elevata viscosità Bassi valori di elasticità con conseguente notevole fragilità. Elevata trasparenza nella regione spettrale del visibile e durezza (5-7 nella scala di Mohs). Resistenza agli agenti chimici con l'esclusione dell'acido fluoridrico che aggredisce la silice. Indice di rifrazione 1,5-1,8 con specifici valori per ogni tipo di vetro. Riscaldamenti uniformi e graduali . Caratteristiche di bassa conducibilità elettrica e termica. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 La trasparenza Una delle caratteristiche più evidenti è la trasparenza alla luce visibile. La trasparenza è dovuta all’assenza di stati di transizione elettronici nell’intervallo energetico della luce visibile. Il vetro comune a differenza del silice puro non è trasparente alle lunghezze d’onda dell’ultravioletto (< 400 nm) a causa della presenza di Na. Il vetro però può essere prodotto in forma così pura da permettere il passaggio della luce nella regione dell’infrarosso per centinaia di Km nelle fibre ottiche. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 PROCESSO SOL-GEL E’ possibile produrre vetri anche con semplici reazioni chimiche a bassa temperatura Si (OCH3)4 TetraMetilOrtoSilicato Si parte da un precursore. Il più semplice è il TMOS Più in generale: dove M è il metallo n è la valenza OR è l’alcossido che funge da ligando M (OR)n Alcossidi di metallo lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 PROCESSO SOL-GEL Il metodo sol-gel prevede il passaggio del sistema attraverso stati COLLOIDALI. Un colloide è una sostanza che si trova in uno stato finemente disperso, intermedio tra la soluzione omogenea e, la dispersione eterogenea. La differenza con le soluzioni consiste nel fatto che queste ultime sono sistemi omogenei contenenti ioni o molecole di soluto disperse in un solvente libere di muoversi le une rispetto alle altre. I sistemi colloidali, invece, sono sistemi eterogenei, che si presentano torbidi Molte sostanze a noi familiari sono colloidi, come per esempio il burro, la maionese, l'asfalto, la colla, la nebbia ed il fumo. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Le trasformazioni Gelificazione Aggregazione Essiccamento Trattamento termico ad elevata temperatura lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

La chimica del metodo SOL-GEL Sintesi di soluzioni colloidali SOL Precursori per la formazione di un GEL Formazione di una sospensione colloidale di particelle solide nel liquido: il SOL IDROLISI CONDENSAZIONE Processo di evoluzione in un GEL Trattamenti termici di trasformazione in un OSSIDO CERAMICO ESSICCAMENTO lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

PROCESSO SOL-GEL Idrolisi I precursori reagiscono con l’acqua con una reazione di idrolisi spontanea a temperatura ambiente M(OR)n + xH2O  M(OH)x(OR)n-x + xROH Si(OCH3)4 + H2O  Si(OH)(OCH3)3 + CH3OH Si produce così alcool metilico CH3OH (volatile) e un gruppo silanolo SiOH (è gruppo molto reattivo) lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

La chimica del metodo SOL-GEL Idrolisi + Si O R H O H Gli alcossidi di silicio si IDROLIZZANO attraverso un attacco dell’acqua sull’atomo di silicio sia in ambiente basico che acido. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

La chimica del metodo SOL-GEL La velocità di reazione in ambiente neutro è bassa, per questo si usa la CATALISI acida o basica. Il TMOS subisce IDROLISI secondo la seguente reazione: O 3 C H C H 3 O Si O C H 3 + 4 2 3 H H H H O H O C H 3 Silanolo TMOS Alcol metilico Acqua lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

PROCESSO SOL-GEL Condensazione I gruppi silanoli reagiscono tra di loro (e con i radicali alcolici) per condensazione M(OH)x(OR)n-x  MOn/2 + x/2 H2O + (n-x) ROH 2 Si(OH)(OCH3)3  (OCH3)3 Si-O-Si(OCH3)3 + H2O 2 Si(OH)(OCH3)3  (OCH3)2 (OH)Si-O-Si(OCH3)3 + CH3OH lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

La chimica del metodo SOL-GEL Polimerizzazione per condensazione I gruppi SILANOLO ottenuti tendono a formare dei legami. La reazione può avvenire secondo due meccanismi: Si + Si O H H O 1 2 attacco di un gruppo SILANOLO sul silicio di un’altra molecola con espulsione di un molecola d’acqua; lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

La chimica del metodo SOL-GEL Polimerizzazione per condensazione I gruppi SILANOLO ottenuti tendono a formare dei legami. La reazione può avvenire secondo due meccanismi: Si + Si O H R O 2 oppure attacco con espulsione di un molecola di alcol in caso di un monomere parzialmente idronizzato. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Precursori Precursore MW Bp(C) D(20C) (g/ml) Si(OCH3) 4 Tetramethyl orthosilicate 152.2 121 1.02 SiO2 Si(OC2H5)4 Tetraethyl orthosilicate 203.3 168 0.93 Ti(n-OC4H9) 4 Titanium(IV) butoxide 284.3 170 1.03 TiO2 Zr(n-OC3H7) 4 Zirconium(IV) isopropoxide 327.6 208 1.04 ZrO2 lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Precursore inorganico Ti(n-OC3H7)4 Titanium(IV) propoxide CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2 O CH2-CH2-CH3 O Ti O + 4 H H H H O H CH3-CH2-CH2 O lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

TMSPM (3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylate) Precursori organico TMSPM (3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylate) Mentre i gruppi alcossidici partecipano alle reazioni di idrolisi e policondensazione per formare il legame Si-O-Si, il legame Si-C (essendo non idrolizzabile), risulta essere inerte; la “coda” organica legata al metallo risulterà parte integrante del prodotto finale lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Polimerizzazione radicalica Il doppio legame sul radicale metacrilico può aprirsi dando luogo alla polimerizzazione. O C Questo avviene in presenza di un elemento catalizzatore, l’IRGACURE 184, che, se “eccitato” da una radiazione ultravioletta, stimola la rottura del doppio legame e avvia il processo di polimerizzazione lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

(ossidi ceramici o vetri) materiali ibridi organici-inorganici La preparazione (ossidi ceramici o vetri) condensazione gelificazione essiccamento Soluzione precursori GEL (sospensione colloidale) SOL alcossidi metallici (precursore fase inorganica) polimero (fase organica) 10 30 20 nm soluzione sol-gel materiali ibridi organici-inorganici lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Preparazione Sol-Gel Aggiungere (A) su recipiente di (B): su agitatore per 10 minuti Aggiungere (C) e coprire con stagnola: su vasca a ultrasuoni per 10 minuti. Lasciare coperto per 16 ore. Ammessa solo luce gialla. = Soluzione finale lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Il substrato Strato di base: silicio (coperto da uno strato di ossido di silicio di 8 μm). Tagliate lastrina Si/SiO2 con punta diamante Pulire con acqua e acetone su vasca ultrasuoni Posizionare su scatoline con stagnola Asciugare con aria compressa lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Lo strato guidante IRGACURE soluzione sol-gel Mantenere al buio !!!! lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Spinning Consiste nella rapida rotazione di una superficie (lo spinner) su cui è bloccato il substrato. Permette di ottenere uno strato estremamente sottile di soluzione che, solidificata, darà origine al film. Attaccare per spinning con biadesivo Posizionare a piccole gocce la soluzione finale fino a coprire tutta la superfice. Azionare lo spinning a 5000 g/min Portare a 80°C per 30-45’ lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 30

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Per finire…. Esposizione luce UV Sviluppo in alcool isopropilico (1-4 minuti) Postbake (120°C per 45 minuti) per stabilizzare la struttura e renderla insensibile alla luce UV. lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013

Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013 Buon lavoro!!!! lunedì 4 Febbraio 2013 Stage Invernale Camerino 4-8 Febbraio 2013