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2 Il nuovo Invito alla biologia.blu
13/11/11 H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, A. Massarini, Posca Il nuovo Invito alla biologia.blu 2 2 2

3 I materiali Capitolo D5 3 13/11/11 3
Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 3 3

4 I materiali metallici Lezione 1 4 13/11/11 4
Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 4 4

5 I materiali metallici nella storia
13/11/11 I materiali metallici nella storia I materiali metallici sono stati usati fino dall’antichità per la loro duttilità, malleabilità e conducibilità elettrica, per le buone proprietà meccaniche e per la capacità di formare leghe ancora più resistenti. 5 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 5 5

6 I metalli sono ottimi conduttori
13/11/11 I metalli sono ottimi conduttori La conducibilità è dovuta alla loro struttura: un reticolo ordinato di cationi si trova immerso in un mare di elettroni in grado di scivolare su di essi avanti e indietro. I cationi hanno carica positiva e gli elettroni negativa, per cui, quando applichiamo una differenza di potenziale, gli elettroni del metallo si muovono, spostando così la carica elettrica e conducendo corrente. 6 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 6 6

7 I metalli costituiscono delle leghe
13/11/11 I metalli costituiscono delle leghe La lega è un miscuglio omogeneo o eterogeneo di più sostanze, di cui almeno una è un metallo. Una lega omogenea è costituita da grani metallici aventi la stessa composizione: ne sono esempi il bronzo, l’ottone e le leghe usate per le monete. Una lega eterogenea è costituita da una miscela di fasi cristalline di varia composizione. 7 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 7 7

8 Le leghe di sostituzione
13/11/11 Le leghe di sostituzione In una lega di sostituzione gli atomi di un elemento sostituiscono quelli dell’altro e ciò avviene quando gli atomi dei due elementi hanno dimensioni e proprietà elettroniche molto simili (il raggio atomico differisce al massimo del 15%). Un esempio di lega di sostituzione è la lega rame-zinco. 8 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 8 8

9 Le leghe interstiziali
13/11/11 Le leghe interstiziali Una lega interstiziale è formata da elementi con atomi di dimensioni molto diverse (il raggio dell’elemento che funge da soluto è più piccolo di almeno il 60%). Un esempio è l’acciaio, formato da ferro e carbonio. 9 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 9 9

10 13/11/11 Le leghe ferrose L’acciaio è una lega omogenea di ferro e carbonio in cui il tenore di carbonio non supera il 2%. Grazie alla sua elevata durezza, forza, resistenza alla corrosione e alla trazione, e alla sua duttilità, l’acciaio è la principale forma di ferro oggi utilizzata. L’acciaio diventa più duro, ma più fragile, all’aumentare del tenore di carbonio. La ghisa è una lega ferrosa con un tenore di carbonio che può raggiungere anche il 6% e contiene piccole percentuali di manganese e silicio. 10 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 10 10

11 13/11/11 Le leghe non ferrose L’ottone è una lega omogenea di sostituzione formata da zinco e rame; è più duro e resistente rispetto al metallo predominante di partenza. Il bronzo è formato da rame e stagno; è stato usato in passato per costruire armi e utensili perché più duro e più resistente alla corrosione dell’ottone. Le leghe da conio sono a base di rame e sono caratterizzate da elevata resistenza all’usura e valori di resistenza elettrica tali da renderle riconoscibili dalle macchine distributrici. L’alnico è costituita da alluminio, nichel e cobalto, ed è usata per realizzare magneti permanenti, in particolare negli altoparlanti e nei telefoni cellulari. 11 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 11 11

12 I materiali strutturali
13/11/11 Lezione 2 I materiali strutturali 12 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 12 12

13 I materiali da costruzione
13/11/11 I materiali da costruzione I materiali strutturali sono molto duri e resistenti; devono tollerare intense forze di deformazione e sono spesso usati per la costruzione di edifici. Sono esempi il cemento, il calcestruzzo e l’acciaio, ma anche il carbonio-carbonio (RCC, Reinforced Carbon-Carbon), un materiale costituito da una matrice di grafite. 13 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 13 13

14 La grafite La grafite è un allotropo del carbonio;
13/11/11 La grafite La grafite è un allotropo del carbonio; gli atomi di carbonio sono ibridati sp2 e disposti a formare un reticolo esagonale che si ripete lungo un piano. Gli elettroni si trovano delocalizzati negli orbitali π e sono liberi di muoversi da un atomo all’altro, ma poco da un piano all’altro. Questa libertà di movimento fa sì che la grafite sia un buon conduttore di elettricità. 14 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 14 14

15 13/11/11 Il diamante Il diamante è un allotropo del carbonio; gli atomi di carbonio sono ibridati sp3 e formano quattro legami σ tetraedrici con gli atomi di carbonio vicini. Questa struttura lo rende rigido, elettricamente isolante e trasparente: è il miglior conduttore di calore e la sostanza più dura conosciuta. È un abrasivo ideale, usato anche per rivestire le punte dei trapani. 15 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 15 15

16 13/11/11 I composti del calcio I composti ionici del calcio hanno un’elevata rigidità di struttura, caratteristica tipica dei sali di calcio, dovuta alla forza con la quale i piccoli cationi Ca2+, ad alta densità di carica, interagiscono con i loro vicini. Molto frequente in natura è il carbonato di calcio che, in forma impura, costituisce il calcare e, in forma più pura e compatta, il marmo; calcari e marmi sono stati fra i primi materiali da costruzione. Altri materiali ricchi di calcio sono calcite e aragonite. 16 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 16 16

17 I composti del silicio /1
13/11/11 I composti del silicio /1 La silice, SiO2, è un materiale duro, rigido e insolubile in acqua, che in natura si trova sotto forma di quarzo e sabbia. È un solido reticolare in cui gli atomi silicio e ossigeno sono uniti da forti legami covalenti secondo una struttura tetraedrica in cui l’atomo di silicio si trova al centro del tetraedro e gli atomi di ossigeno ai vertici. 17 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 17 17

18 I composti del silicio /2
13/11/11 I composti del silicio /2 Il legame tra molecole di silice forma diverse classi di silicati: ortosilicati, come lo zircone; pirosseni, come la giada; tremolite, uno dei minerali fibrosi detti «amianto», ottimo isolante termico, ma molto dannoso per la salute; talco, un materiale tenero e untuoso; alluminosilicati, come la mica; feldspati, componenti principali del granito. 18 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 18 18

19 13/11/11 I composti binari I composti binari del boro, del carbonio e dell’azoto hanno interessanti proprietà tecnologiche. Il diboruro di magnesio, MgB2, è un superconduttore a temperature inferiori a 39 K. I boruri possono contenere sia metalli sia nonmetalli, e spesso formano estese strutture reticolari. La struttura reticolare li rende molto duri e resistenti al calore. 19 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 19 19

20 Il vetro Il vetro è un solido ionico a struttura amorfa, cioè privo
13/11/11 Il vetro Il vetro è un solido ionico a struttura amorfa, cioè privo di un reticolo cristallino. Il più comune è il vetro calce-soda e si ottiene fondendo la silice insieme a carbonato di calcio e carbonato di sodio; il prodotto finale è una miscela di silicati di sodio e di calcio. I vetri al silicato sono fragili, duri e otticamente trasparenti e per questo sono utilizzati per la realizzazione di fibre ottiche. 20 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 20 20

21 13/11/11 I materiali ceramici I materiali ceramici sono ottenuti a partire dall’argilla che può contenere vari tipi di alluminosilicati e, spesso, anche ossidi di ferro che le conferiscono il colore rosso-bruno. Una volta lavorata, viene cotta in forno e ciò che resta a fine cottura è una massa molto rigida in cui sono presenti piccoli cristalli saldati insieme dalla silice vetrosa. Il prodotto ceramico (mattoni, tegole, piastrelle, stoviglie…) è duro ma fragile agli urti, insolubile in acqua, resistente alle alte temperature e alla corrosione. 21 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 21 21

22 I materiali con particolari proprietà elettriche
13/11/11 Lezione 3 I materiali con particolari proprietà elettriche 22 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 22 22

23 Resistenza elettrica e temperatura /1
13/11/11 Resistenza elettrica e temperatura /1 I materiali sono classificati in base a resistenza elettrica e alla temperatura in: conduttori metallici sono conduttori elettronici in cui la resistenza cresce all’aumentare della temperatura; isolanti sono sostanze che non conducono elettricità perché possiedono una resistenza molto elevata; semiconduttori sono conduttori elettronici in cui la resistenza diminuisce all’aumentare della temperatura; superconduttori sono conduttori elettronici con resistenza nulla a temperature molto basse; elettroliti solidi sono conduttori ionici. 23 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 23 23

24 Resistenza elettrica e temperatura /2
13/11/11 Resistenza elettrica e temperatura /2 L’andamento della resistenza dei materiali in funzione della temperatura. 24 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 24 24

25 Le proprietà elettriche /1
13/11/11 Le proprietà elettriche /1 In una banda di conduzione gli elettroni sono liberi di muoversi trasportando così la corrente elettrica all’interno del solido: nei conduttori la banda di valenza e quella di conduzione sono vicine; nei semiconduttori la banda di conduzione vuota si trova in prossimità di una banda di valenza piena. negli isolanti la banda di valenza e quella di conduzione sono ben separate. 25 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 25 25

26 Le proprietà elettriche /2
13/11/11 Le proprietà elettriche /2 conduttore semiconduttore di tipo n isolante 26 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 26 26

27 13/11/11 La superconduttività La superconduttività è l’assenza di resistenza elettrica che si verifica raffreddando una sostanza al di sotto di una certa temperatura, detta temperatura di transizione (Ts). I superconduttori offrono la possibilità di trasportare in modo più efficiente l’energia elettrica riducendone le perdite nel corso della trasmissione. Hanno anche eccezionali proprietà magnetiche che stimolano la ricerca in vari settori, come, per esempio, quello della levitazione magnetica. 27 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 27 27

28 I materiali per le nuove tecnologie
13/11/11 Lezione 4 I materiali per le nuove tecnologie 28 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 28 28

29 La luminescenza /1 La luminescenza è un’emissione di luce.
13/11/11 La luminescenza /1 La luminescenza è un’emissione di luce. Se l’emissione avviene in seguito a una reazione chimica si parla di chemiluminescenza; se è generata da un organismo vivente si parla di bioluminescenza. La triboluminescenza è un tipo di luminescenza che scaturisce dalle sollecitazioni meccaniche di un cristallo. 29 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 29 29

30 13/11/11 La luminescenza /2 La fluorescenza è l’emissione di luce da parte di molecole eccitate da radiazioni di alta frequenza; tale emissione dura solo pochi nanosecondi dopo che è cessata l’illuminazione. Nella fosforescenza l’emissione di luce da parte di molecole eccitate da radiazioni di alta frequenza persiste anche per alcuni secondi dopo la cessazione dello stimolo. 30 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 30 30

31 Le proprietà magnetiche
13/11/11 Le proprietà magnetiche Il fenomeno del paramagnetismo si manifesta quando un atomo o una molecola possiedono almeno un elettrone spaiato. Il diamagnetismo interessa le sostanze che non contengono elettroni spaiati e sono respinte da un campo magnetico. Il ferromagnetismo si verifica quando gli elettroni spaiati di molti atomi contigui si allineano ordinatamente sotto l’effetto del campo magnetico. 31 31 31

32 I nanomateriali Lezione 4 32 13/11/11 32
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33 13/11/11 I nanomateriali I nanomateriali sono materiali composti da particelle di diametro compreso tra 1 e 100 nm. Alcuni metalli e metalloidi possono autoaggregarsi e dare origine a estese strutture regolari di dimensioni nanoscopiche dette cluster. I punti quantici sono cluster tridimensionali di materiali semiconduttori. 33 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 33 33

34 13/11/11 I nanotubi I nanotubi di carbonio sono minuscole strutture cilindriche, cave e lunghe, di 1-3 nm di diametro. Oltre a essere conduttori di elettricità, sono anche buoni conduttori di calore, sono molto forti e hanno resistenza alla trazione. 34 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 34 34

35 La produzione di nanotubi
13/11/11 La produzione di nanotubi I nanomateriali possono essere preparati con due metodi: approccio «top-down», cioè dall’alto, prevede che i materiali siano modellati con tecniche fisiche come la litografia; approccio «bottom-up», cioè dal basso, consiste nel far crescere i nanotubi dentro ai pori di una membrana polimerica o ceramica che viene successivamente rimossa o disciolta. 35 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 35 35

36 Le applicazioni dei nanotubi
13/11/11 Le applicazioni dei nanotubi I nanomateriali mostrano comportamenti particolari e proprietà molto diverse da quelle dello stesso materiale in scala macroscopica. Sono ottimi catalizzatori e possono rendere più efficienti gli impianti chimici, migliorare l’efficienza di combustione dei veicoli a motore e promuovere la trazione elettrica degli autoveicoli. Possono anche essere usati per rendere più forti e resistenti alcuni materiali: come elementi di rinforzo nei materiali compositi, infatti, hanno prestazioni migliori delle fibre di carbonio. 36 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 36 36

37 I biomateriali Lezione 4 37 13/11/11 37
Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 37 37

38 I biomateriali e i materiali biomimetici
13/11/11 I biomateriali e i materiali biomimetici Per biomateriali si intendono quei materiali che derivano o sono costituiti da materiali naturali e che si ritrovano negli organismi viventi. I materiali biomimetici sono una riproduzione artificiale di materiali naturali, come gel o polimeri flessibili che riprendono membrane e tessuti naturali. 38 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 38 38

39 La nanomedicina La nanomedicina usa nanodispositivi o nanostrutture
13/11/11 La nanomedicina La nanomedicina usa nanodispositivi o nanostrutture ingegnerizzate per realizzare monitoraggio, riparazione, costruzione e controllo dei sistemi biologici umani. Gli ambiti in cui trova applicazione sono: la veicolazione di farmaci, attraverso nanoparticelle, all’interno delle cellule; l’uso di nanoparticelle come sonde nei processi diagnostici; la riparazione di tessuti o sostituzione di parti del corpo umano danneggiate con sistemi ibridi costituiti da cellule viventi e nanomateriali. 39 Curtis et al., Il nuovo Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2017 39 39