Conoscenza nel campo delle nanotecnologie

I nanomateriali sono minuscole particelle utilizzabili per nuovi prodotti e tecnologie. Non tutti i loro effetti fisici e biologici sono conosciuti. Tuttavia si acquisiscono continuamente nuove conoscenze scientifiche. 

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I materiali a grana grossa possiedono proprietà fisico-chimico costanti indipendenti dalla loro massa. Ciò non vale per i nanomateriali, dove predominano proprietà legate al volume e alla superficie della materia.

Le proprietà dei nanomateriali si possono modificare

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© Fotolia / Elena Pankova

Se confrontati ai materiali a grana grossa, i nanomateriali possono avere proprietà che si possono modificare. La superficie specifica dei nanomateriali è molto più grande di quella dei materiali a grana grossa. Siccome la reattività chimica dipende dalla superficie, i nanomateriali hanno una reattività maggiore. La capacità di accelerare le reazioni chimiche è sfruttata in alcuni processi tecnologici (ad es. nelle marmitte catalitiche, in pile e accumulatori, elementi di costruzione e materiali di filtri). Le marmitte catalitiche strutturate con nanomateriali contribuiscono a ridurre il consumo energetico e i residui di produzione nei processi industriali.

Per le particelle nel campo del nanometro possono sorgere anche cosiddetti effetti quantici: gli elettroni delle nanoparticelle più piccole assumono soltanto determinati stati energetici e particelle di grandezza identica mostrano poi un comportamento simile a quello di singoli atomi o molecole. Simili proprietà hanno un ruolo importante soprattutto per l’applicazione nei settori dell’elettronica, dell’ottica e della chimica.

Spesso nelle nanotecnologie non si utilizzano nanomateriali liberi. Utilizzando strutture o rivestimenti nanometrici si possono modificare in modo mirato le proprietà di superfici, nell’elettronica e nell’ottica, in chimica o in medicina. I materiali compositi vengono nanostrutturati per aumentarne la stabilità e la funzionalità e, al contempo, ridurne il peso. Ciò consente di risparmiare risorse nella fabbricazione e aumenta l’efficienza energetica nell’utilizzazione.

Rendere visibili i nanomateriali

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La lunghezza d’onda della luce visibile è nell’ordine di grandezza di alcune centinaia di nanometri (nm). Ai limiti del proprio spettro la luce visibile confina con altre radiazioni elettromagnetiche:

  • lunghezze d’onda da 10 a 380 nm: raggi ultravioletti (UV);
  • lunghezze d’onda da 380 a 780 nm: luce visibile;
  • lunghezze d’onda superiori a 780 nm: raggi infrarossi.

Le nanoparticelle sono più piccole delle lunghezze d’onda della luce visibile. Per tale motivo non sono visibili al normale microscopio ottico. Possono tuttavia essere rese visibili sfruttando speciali effetti di dispersione (dispersione di Rayleigh) della luce laser.

In alternativa possono essere visualizzate al microscopio elettronico, che sfrutta la lunghezza d’onda molto più breve dei fasci di elettroni. I microscopi elettronici rendono visibili anche le nanoparticelle più piccole.

Effetti dell'interferenza

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I cosiddetti effetti dell’interferenza insorgono quando strati nanometrici di materiali con diversa rifrazione della luce si sovrappongono esattamente. La luce incidente può essere assorbita quando si sovrappone alla luce riflessa e crea effetti cromatici. Il fenomeno interessa differenti lunghezze d’onda a seconda dello spessore dello strato. Si possono così ottenere determinati filtri colorati, specchi e prismi. I riflettori di vetro con rivestimento nanotecnologici delle lampade alogene riflettono soltanto la luce visibile e non la radiazione termica, la quale invece oltrepassa lo schermo riflettore.

Speciali rivestimenti del vetro delle finestre possono riflettere il calore e proteggere gli ambienti interni dal surriscaldamento, pur lasciando filtrare la luce.

Per proteggere la pelle contano le dimensioni delle particelle

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© Fotolia / BillionPhotos.com

Il biossido di titanio in scala nanometrica è utilizzato come filtro UV nelle creme solari. Assorbe i raggi ultravioletti, ma date le esigue dimensioni delle sue particelle lascia passare la luce visibile. La crema solare appare quindi trasparente all'occhio umano. I nanomateriali sostituiscono quindi le sostanze sintetiche utilizzate per i filtri UV, le quali contengono spesso componenti chimiche problematiche per l’uomo e l’ambiente. Il biossido di titanio a grana più grossa è invece utilizzato come pigmento bianco per le vernici da parete e, al contrario della forma nanometrica, riflette la luce visibile.

Effetto loto idrorepellente

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Rivestendo una superficie con uno strato tridimensionale a struttura fine (sfere di cera o silicone ecc.) la si rende idrorepellente, ossia s'impedisce che si bagni. L'acqua scivola via sotto forma di goccioline che catturano le particelle di sporco, creando un cosiddetto «effetto loto» e consente di usare detersivi con meno frequenza e in quantità minori. Questo effetto è sfruttato per i rivestimenti antiappannamento per finestrini e specchi e per creare tessuti idro- e sporcorepellenti. L’effetto loto non è propriamente nanospecifico, ma si osserva già in strutture dell'ordine di grandezza di 20 micrometri.

Utilizzazione della fotocatalisi

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© Fotolia / Tiberius Gracchus

Il biossido di titanio è un semiconduttore, che acquista conduttività quando è irradiato con raggi UV (soprattutto la forma cristallina, detta anatasio). L’irradiazione con raggi UV produce nella griglia di cristallo coppie di buchi di elettroni. In questo stato il biossido di titanio è molto reattivo, diventa estremamente idrofilo ed esercita un effetto ossidante.

Uno strato di biossido di titanio può quindi essere utilizzato per produrre superfici, rivestimenti e vernici autopulenti: le particelle di sporco sono lentamente degradate dal biossido di titanio attivato dalla luce solare. Ciò consente di ridurre l’impiego di prodotti chimici di pulizia problematici. Per impedire l'effetto fotocatalitico, quando è utilizzato per altre applicazioni (ad es. per le creme solari), il biossido di titanio viene rivestito di uno strato protettivo non reattivo.

Trasportare i farmaci direttamente laddove occorrono

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© Fotolia / Andrea Danti

Nella medicina si tenta di sfruttare le proprietà particolari delle nanoparticelle per superare le barriere proprie dell’organismo. Con nanofarmaci si vogliono raggiungere in modo mirato le cellule su cui devono esercitare il loro effetto. A tal fine, occorre aggirare i meccanismi di difesa propri del corpo, i quali distruggerebbero altrimenti i principi attivi. I principi attivi farmaceutici vengono quindi inseriti in un involucro di nanomateriali «marcato» con molecole proteiche o di acidi nucleici, le quali consentono di trasportarli nel punto del corpo desiderato, dove potranno esercitare il loro effetto. La medicina è inoltre in grado di utilizzare anche gli effetti ferromagnetici delle nanoparticelle: vengono riscaldate con l’ausilio di un campo magnetico esterno al corpo al fine di distruggere in modo mirato i tumori. Nella diagnostica i Quantum Dots offrono nuove opportunità altamente sensibili per rendere visibili strutture e processi nel corpo. Le nanostrutture e i materiali composti migliorano la tollerabilità e la tenuta di impianti.

Elettronica e tecnica energetica

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© Fotolia / Pavel Kirichenko

Le nanotecnologie consentono di costruire circuiti elettronici più piccoli. L’impiego di materiali idonei e di una tecnica della litografia caratterizzata da una luce UV di lunghezza d’onda estremamente corta consentono oggi di produrre elementi funzionali che raggiungono una finezza di risoluzione di circa 10 nm. I computer diventano quindi più veloci e più efficienti in termini di consumo energetico. Materiali per elettrodi trasparenti nanostrutturati consentono la lettura e l’interazione con schermi tattili, mentre nanomateriali altamente porosi permettono di fabbricare accumulatori e pile più piccoli ed efficienti e quindi di risparmiare risorse. La conducibilità elettrica di nanomateriali, come ad esempio gli strati di grafene o i nanotubi di carbonio, permette di fabbricare con l’ausilio di stampanti a getto d’inchiostro dei circuiti altamente flessibili ed estremamente sottili, ad esempio nella diagnostica, o per rendere funzionali materiali di ogni tipo, ad esempio prodotti tessili. Quantum Dots consentono di fabbricare LED più efficienti come pure di ridurre ulteriormente il consumo energetico e di risorse dei sistemi di illuminazione ed LED utilizzati finora. I nanomateriali permettono di conferire un grado di efficienza maggiore alle celle fotovoltaiche a film sottile e quindi di ridurre il consumo energetico e di risorse per la loro fabbricazione. Materiali composti rafforzati con nanofibre permettono di realizzare costruzioni più leggere e stabili, per incrementare l’efficienza delle turbine eoliche o per ridurre il peso nella costruzione di veicoli o di velivoli, con una conseguente riduzione del loro consumo di carburante.

Tecnologia ambientale

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© Fotolia / DutchScenery

Numerosi inquinanti pericolosi sono molto mobili e si accumulano negli esseri viventi. Ciononostante la loro presenza nell’ambiente è nella maggior parte dei casi molto diluita e diffusa. È pressoché impossibile eliminarli con metodi tradizionali. Nanoparticelle idonee immesse nella falda freatica si diffondono nell’ambiente in modo analogo agli inquinanti e riescono a decomporli in funzione della loro reattività specifica. Le nanoparticelle di ossido di ferro possono ad esempio rimuovere l’arsenico dall’acqua potabile e poi essere semplicemente filtrate.

Origine: DaNa (alla rubrica «Link»), Wikipedia

Ultima modifica 09.08.2018

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