NanoRods Sintesi di nano fibre di Nichel Settimana della scienza dei materiali Liceo Scientifico Giordano Bruno Mestre Università Ca’ Foscari Venezia NanoRods Sintesi di nano fibre di Nichel Autore presentazione e foto: Alessandro Blascovich Liceo Scientifico Giordano Bruno Mestre Classe V^ A

Bastoncini, ramoscelli La terminologia NANO-RODS NANO RODS Piccoli Bastoncini, ramoscelli + Nano-rods è una parola composta che deriva dall’inglese Nano, piccolo Rods, cioè bastoncini, ramoscelli. Con nanotecnologie, in generale, si intende la capacità di osservare, misurare e manipolare la materia su scala atomica e molecolare. ATOMI E MOLECOLE NANOTECNOLOGIE

non sono visibili a occhio nudo ma solo al microscopio elettronico I NanoRods Lunghezza compresa tra 1 e 10 μm Diametro compreso tra 50 e 100 nm Costruiti con deposizione elettrolitica Come suggerisce il termine, i nanorods sono bastoncini, o fibre, di metallo che vengono costruiti per mezzo di una deposizione elettrolitica. Hanno lunghezza compresa tra 1 e 10 μm e diametro compreso tra 50 e 100 nm. Il diametro di un nanorod può arrivare alle dimensioni di dieci atomi di idrogeno, o circa un centomillesimo della larghezza di un capello. Quindi i nanorods non sono visibili a occhio nudo ma solo al microscopio elettronico. non sono visibili a occhio nudo ma solo al microscopio elettronico

A cosa servono e perché costruirli Ambito energetico - elettronico: Celle fotovoltaiche più piccole con maggior rendimento Microchip per PC, cellulari e elettronica Oggi è meno costoso produrre energia solare utilizzando le nanotecnologie. I nanorods sviluppano una grande superficie in relazione alle loro ridotte dimensioni. Hanno altresì una conducibilità elettrica alta come il rame e una conducibilità termica pari al diamante. Blue-Ray DVD

A cosa servono e perché costruirli Ambito tessile: Tecnico Sportivo Abbigliamento I nanorods si prestano a molteplici impieghi in ambito tessile. Tessuti contenenti nanorods vengono impiegati per la produzione di panciotti anti-proiettile leggeri, e per tessuti tecnici nei quali è importante l’isolamento termico. La sicurezza dei vigili del fuoco è affidata all’uso di vestiario con nanofibre, che garantisce il necessario isolamento dal calore, o anche per gli sciatori o i soccorritori alpini, per evitare l’ipotermia. Diverse marche di abbigliamento, comprese alcune griffe, hanno incorporato un sistema di nanotecnologie auto-pulente e macchia-repellente, molto conveniente per i vestiti - e, naturalmente, non dovendo lavarli si risparmia energia. Si utilizzano, in particolare, nanocristalli di diossido di titanio. I nanorods sono ideali anche per la prevenzione della criminalità, in quanto le merci possono essere “marchiate” in modo invisibile per prevenirne la contraffazione. Ulteriori impieghi si presentano nell’attrezzatura sportiva, ad esempio, in alcune racchette da tennis sono utilizzati per rafforzare la cornice e migliorare la capacità di assorbire i colpi. Sono impiegati anche come filtro UV per occhiali da sole.

A cosa servono e perché costruirli Ambito edilizio: Nanotubi di carbionio: 100 volte più resistenti, un sesto di peso Il rivestimento dei metalli, per prevenirne la corrosione, può danneggiare gravemente l'ambiente, in quanto molte vernici sono composte da cromo e cadmio, sostanze mortali, che l'UE sta cercando di limitare. Il riciclaggio dei composti tossici è inoltre costoso e difficile. I catalizzatori composti da nanorods possono permettere lo smaltimento delle sostanze tossiche con tempi ridotti. L’aggiunta di solo il 2% di nanoparticelle di minerali argillosi in un polimero di rivestimento comporta una sostanziale differenza, considerato che rende quest’ultimo molto più durevole e resistente a parità di peso. Altri nanocoatings possono impedire l'adesione di graffiti, consentendo loro di essere facilmente rimossi con getti d'acqua una volta che il rivestimento è stato applicato. I Nanotubi di carbonio, una tipologia di nanofibre, posseggono anche straordinarie proprietà meccaniche - sono 100 volte più forti dell’acciaio, mentre hanno solo un sesto di peso. Inoltre i nanorods sono usati per: migliori catalizzatori, filtri nanoporous, parabrezza autopulenti… Vernici più resistenti, o contro i graffiti

A cosa servono e perché costruirli Elettronica Abbigliamento Energia Materiali Questo settore sarà in grado di svilupparsi in modo economicamente redditizio, in quanto gode di cospicui finanziamenti pubblici: nel solo anno 2005 quest’ultimi sono stati stimati in 3,8 miliardi di euro in tutto il mondo. 3,8 mil di Euro in tutto il mondo nel 2005, il settore tecnologico con più finanziamenti

La nostra esperienza …. presso il Liceo Scientifico Giordano Bruno e presso l’Università Ca’ Foscari Venezia-Mestre, 5-7 novembre 2008 Gruppo: Silvia Bisello, Alessandro Blascovich, Maria Chiara Pulici

Fasi operative per la costruzione di Nanorods di Nichel Sensibilizzazione Argentatura Processo elettrolitico Dissoluzione membrana - recupero fibre Osservazione al SEM Per processi di elettrodeposizione si intendono processi che sfruttano soluzioni e redox.

1 -Sensibilizzazione della membrana Strumenti e materiali Membrana microporosa di policarbonato (pori 100 nm) Soluzione SnCl22H2O 3mM Parafilm SnCl22H2O Porosità membrana

1 -Sensibilizzazione della membrana la preparazione Fissaggio membrana Soluzione di sensibilizzazione: 100ml di SnCl22H2O 3mM Immersione della membrana fissata Fissare un pezzetto di parafilm al supporto di plexigass Far aderire il lato lucido della membrana al parafilm e bloccarla con lo scotch evitando fessure o bolle (affinché l’argento ricopra una sola faccia della membrana) Preparare la soluzione di sensibilizzazione: 100ml di SnCl22H2O 3mM Immergere la membrana fissata al plexigass nella soluzione per 45 minuti. Questa operazione è particolarmente delicata e, anche se concettualmente non presenta difficoltà, risulta operativamente uno dei punti più complicati dell’esperienza. Membrana fissata al parafilm sul supporto di plexigass

2 –Argentatura Strumenti e materiali Reattivo di Tollens: 1,25g AgNO3 in 25ml 1,25g NaOH in 12,5 ml 12,5 di NH4OH al 10% Soluzione di glucosio 1,8g in 100ml

2 –Argentatura la preparazione: stendere un film di argento, come in uno specchio Sn2+ + SnCl2 Ag + Ag+ Sn4+ + glucosio Lavare la membrana Preparare il reattivo di tollens: AgNO3, NaOH, NH4OH Immergere la membrana Aggiungere la soluzione di glucosio In questa operazione siamo riusciti a stendere un sottilissimo strato di argento su una sola superficie della membrana, servendoci di un processo alcalino: Preparare le soluzioni del reattivo di tollens Finita la sensibilizzazione, lavare la membrana con acqua distillata Versare in un cristallizzatore in ordine AgNO3, NaOH, NH4OH Immergere la membrana per 10 minuti Aggiungere la soluzione di glucosio e agitare finché non si osserva la formazione di uno specchio d’argento sulle pareti.

Acqua distillata e lavaggio Cristallizzatore per argentatura Membrana con una faccia argentata

3 - Elettrodeposizione del nichel Strumenti e materiali Cella elettrolitica composta da: Anodo(+): filo di nichel a spirale Catodo(-): lastra di ottone Batteria e tester Soluzione di nichelatura 30g NiSO4* 7H20 2,44g NiCl2* 6H20 4,5g H3BO3

3 - Elettrodeposizione del nichel la preparazione La deposizione del nichel all’interno dei pori della membrana avviene mediante elettrolisi poro Sezione della membrana Lastra di ottone Ulteriore elettrodeposizione di Ni Deposizione elettrochimica di Ni Ni nanofibre Dopo aver montato la strumentazione, facendo aderire la membrana alla lastra di ottone, si fa procedere l’elettrolisi per circa 10 minuti con una batteria da 1,5v: al catodo, in virtù della conduzione elettrica della faccia argentata, si deposita il nichel all’interno delle fessure della membrana il filo di nichel dell’anodo si ossida restituendo ioni Ni++ alla soluzione. Dopo la nichelatura si procede con le operazioni di lavaggio e peeling: togliere la membrana dal supporto per elettrolisi lavarla con acqua distillata rimuovere con lo scotch l’argento e il nichel depositato in superficie la membrana ora contiene fibre di nichel intrappolate all’interno delle porosità. 10 minuti di elettrolisi con bateria 1,5 volt

Lastra di ottone - Catodo Soluzione di nichelatura Filo di nichel - Anodo

4 - Dissoluzione della membrana Le fibre sono intrappolate nella membrana Sciogliamo la membrana e recuperiamo con un magnete le fibre Si toglie il film di argento residuo con HNO3 La membrana viene tagliata e messa in un becker con diclorometano CH2Cl2 che ne permette lo scioglimento. Si raccolgono le fibre di nichel con un ancoretta magnetica e si metteno in un altro becker. Con un dispositivo ad ultrasuoni si provoca un’agitazione del liquido che, facendo vibrare le fibre, ne permette il distacco dal magnete. Membrana disciolta con ancorette

4 - Dissoluzione della membrana Recuperiamo le fibre realizzate tramite una filtrazione e le osserivamo al microscopio elettronico - Si procede con la filtrazione del liquido contenente le fibre di nichel. L’operazione di filtraggio avviene mediante una pompa che effettua una depressione per mezzo del flusso d’acqua che scorre in un rubinetto. La depressione formatasi permette di aspirare l’acqua della soluzione in cui sono disciolte le fibre, in modo da separarle dall’acqua (disegno e spiegazione della strumentazione alla lavagna durante la presentazione). - Dopo aver asciugato la carta da filtro la si taglia e la si riveste d’oro tramite il processo di sputtering. - quest’ultima operazione consente di rendere il campione conducente per poter poi essere osservato al SEM. Filtro Preparazione per il SEM

5 - Osservazioni al microscopio foto del 7 novembre 2008

5 - Osservazioni al microscopio foto del 7 novembre 2008 In questa foto, scattata al SEM, si notano in primo piano due fibre, una di lunghezza 2,17 µm e una di 1,47 µm.

5 - Osservazioni al microscopio foto del 7 novembre 2008 In questa inquadratura si notano altre fibre di dimensioni ridotte rispetto alle precedenti, fatto probabilmente determinato dalla diversa angolazione del campione.

5 - Osservazioni al microscopio foto del 7 novembre 2008 Visione al SEM applicando un minore ingrandimento dell’immagine rispetto alle precedenti fotografie.

5 - Osservazioni al microscopio foto del 7 novembre 2008 Ammasso di fibre difficilmente distinguibili tra loro.

Analisi del campione allo spettrometro di massa in un preciso punto delle fibre. I picchi rappresentano gli elementi presenti nel punto esaminato. Oro Nichel Argento

Conclusioni dell’esperienza Valore teorico Valore trovato Commento Diametro 50 ÷ 100 nm 60 ÷ 70 nm Il valore è compreso nell’intervallo teorico Lunghezza 1 ÷ 10 µm 1,04 ÷ 2,17µm Le dimensioni sono un po’ ridotte rispetto alla media, ma comunque, entro l’intervallo di riferimento L’analisi allo spettrometro di massa presenta una abbondante quantità di argento, in quanto, probabilmente quest’ultimo non è stato correttamente rimosso durante la fase di peeling e scioglimento della membrana I nanorods creati soddisfano le caratteristiche iniziali da 1 a 2 µm di lunghezza le dimensioni sono risultate un po’ ridotte rispetto a quelle medie, ma entro le misure E’ presente una abbondante quantità di argento, probabilmente non è stato tolto tutto

Bibliografia Materiali consegnati durante l’esperienza, schede della prof.ssa Rita Billo “settimana della scienza dei materiali” http://www.nano.org.uk/, dicembre 2008 http://www.nanotec.it/, dicembre 2008