SETTIMANA DELLA SCIENZA DEI MATERIALI 03-07/11/2008 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) gtu

OPALI L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Gemme naturali composte prevalentemente da sferette di silice (SiO2) del diametro di 200-400nm 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.

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. L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri

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. L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri

DESCRIZIONE DELL’ESPERIENZA: SINTESI DEGLI OPALI L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri DUE FASI PRINCIPALI: Preparazione della sospensione del monomero (metacrilato di metile) e polimerizzazione a temperatura controllata; Centrifugazione ed essicazione dell’opale; 1. 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.

Polimerizzazione del metacrilato di metile L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Polimerizzazione del metacrilato di metile

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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.

Provette inserite nella centrifuga L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Provette inserite nella centrifuga Si può già notare l’iridescenza rosa sul bordo dell’ampolla, tipica dell’opale

ʎ - nm colore 750-630 Rosso 630-600 Arancio-rosso 600-590 Arancio 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): L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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

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. L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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.

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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.

Opali creati senza azoto Opali realizzati con azoto L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Opali creati senza azoto Opali realizzati con azoto

INCIDENZA DELL’AZOTO SULL’ESPERIMENTO Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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.

La polimerizzazione avviene in tre fasi: L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri La polimerizzazione avviene in tre fasi: Fase di iniziazione Fase di propagazione Fase di terminazione

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Fase di iniziazione NH CH3 CH3 NH2 NH CH3 C C N N C C 2 C C N N H2N NH H2N CH3 CH3 CH3 2,2 diazo (2-metilpropionammide) cloridrato NH CH3 CH3 NH CH3 CH3 C C + H2C C C C CH2 C H2N H2N CH3 C O CH3 COOCH3 O

Fase di propagazione NH CH3 CH3 CH2 C C CH2 C + n H2C C H2N L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Fase di propagazione NH CH3 CH3 CH2 C C CH2 C + n H2C C H2N CH3 COOCH3 COOCH2 NH CH3 CH3 CH3 C C CH2 C CH2 C CH3 COOCH 3 COOCH3 n

Fase di terminazione NH CH3 CH3 CH3 NH CH3 CH3 NH2 L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri NH CH3 CH3 CH3 NH CH3 CH3 NH2 2 C C CH2 C CH2 C C C CH2 C CH2 C H2N H2N CH3 COOCH 3 COOCH 3 CH3 COOCH 3 NH NH CH3 CH3 CH3 CH3 NH2 C C CH2 C CH2 C + C C H2N CH3 COOCH 3 COOCH 3 CH3 HN n NH CH3 CH3 NH2 C C CH2 C CH2 C CH3 COOCH3 n NH n n

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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

OSSERVAZIONE: OPALI E OPALI INVERSI AL SEM L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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).

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Opale

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Opale inverso

Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Microscopio Elettronico a Scansione (SEM)

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri Opali e... Coleotteri! Il Pachyrhynchus argus, coleottero che vive nelle foreste del Queensland nord-orientale 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.

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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.

Bibliografia: - www.wikipedia.it - www.unipd.it - www.encarta.it L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri 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

Lazzarin Lorianna, Novello Lisa, Zampieri Sabrina Ricerca a cura di: Lazzarin Lorianna, Novello Lisa, Zampieri Sabrina Liceo Scientifico Statale “E. Majorana - E. Corner” Mirano, Venezia