Conoscenze in materia di nanotecnologia

I nanomateriali sono minuscole particelle solide che possono formarsi naturalmente, accidentalmente o essere fabbricate. Le loro proprietà speciali e diversificate fanno sì che vengano utilizzati in numerosi prodotti e tecnologie.

Le proprietà dei nanomateriali differiscono in molti modi dallo stesso materiale sfuso («bulk material»). Infatti, il comportamento e le proprietà dei nanomateriali non dipendono esclusivamente dalla loro composizione bensì anche dalla loro dimensione, forma (cilindrica, sferica, piatta ecc.), stato (particelle libere, aggregato o agglomerato ) e rapporto superficie/volume particolarmente elevati. Qui di seguito vengono presentate le caratteristiche principali dei nanomateriali, quali le proprietà ottiche, meccaniche, elettriche, magnetiche, catalitiche e idrofobe nonché le possibilità di applicazione che ne derivano.

Aggregato

Particella che comprende particelle strettamente legate o fuse in cui la superficie esterna risultante è nettamente inferiore rispetto alla somma delle superfici dei singoli componenti.

Agglomerato

Insieme di particelle unite da un legame debole o mediamente forte in cui la superficie esterna risultante è simile alla somma delle superfici dei singoli componenti.

I nanomateriali hanno proprietà ottiche speciali e possono interagire in maniera diversa rispetto ai materiali sfusi quando vengono esposti alla luce, ai laser o ad altri raggi elettromagnetici (UV ecc.). Le proprietà ottiche di un materiale vengono definite tramite processi come l’assorbimento, la trasmissione, la riflessione e l’emissione della luce. Queste proprietà possono cambiare in funzione della forma, dimensione, funzionalizzazione superficiale delle nanoparticelle, ma anche in base all’ambiente nel quale si trovano (materiale composito, ambiente cellulare ecc.).
Ne sono un buon esempio le nanoparticelle d’oro sotto forma di colloidi in sospensione. Infatti, in base alla loro dimensione, le nanoparticelle d’oro appaiono gialle (2-5 nm), rosse (10-20 nm) o viola (>20 nm). Questi cambiamenti di colore derivano da un effetto di risonanza dato dall’interazione tra la struttura elettronica esterna della nanoparticella e una determinata lunghezza d’onda della luce (la cosiddetta risonanza plasmonica di superficie). Questa tecnologia prende il nome di rilevamento colorimetrico. Le proprietà ottiche dei nanomateriali vengono sfruttate anche in altri ambiti medici, come nell’imaging a fluorescenza o nella terapia fotodinamica, utilizzata ad esempio nel trattamento di determinati tipi di tumore.
Tuttavia, gli ambiti di applicazione dei nanomateriali in base alle loro proprietà ottiche non si limitano alla medicina. Infatti, vengono utilizzati anche nei processi di conversione dell’energia solare in energia chimica o elettrica. Oltre alle proprietà di conduttori e semiconduttori, i nanomateriali consentono di risparmiare sulle materie prime (maggiore efficacia per superficie) e di ottenere superfici produttive maggiori (pannelli solari) e substrati flessibili.
Infine, le proprietà ottiche dei nanomateriali sono utilizzate anche nei settori laser, illuminazione (lampade a LED), sensori ottici o come rivestimento di alcuni materiali per filtrare determinati raggi come dei colori o il calore.
Alcune nanoparticelle conferiscono proprietà meccaniche molto interessanti a certi materiali o prodotti, come la resistenza, la durezza, la resistenza e la duttilità. Le proprietà meccaniche si riferiscono alle caratteristiche dei materiali in diversi ambienti e sottoposti a vincoli esterni diversi. In questo contesto, è possibile utilizzare nanomateriali organici o inorganici per ottimizzare una o più proprietà meccaniche di un materiale.
I nanomateriali organici a base di carbonio comprendono i nanotubi di carbonio (CNT) (a parete singola o multipla), i nanofili, il grafene ecc. Questi vantano una resistenza meccanica molto elevata. Un singolo nanotubo di carbonio ha un modulo di elasticità molto elevato (alta resistenza alla deformazione) simile a quello del diamante. Tuttavia, un filo composto da numerosi CNT avrà una flessibilità elevata, dovuta alle forze di van der Waals. I CNT non sono soltanto molto resistenti ma anche flessibili.
I nanomateriali inorganici sono composti ad esempio da ossidi di metalli di transizione, nanoparticelle d’argento, oro, ferrite o nanostrutture a base di silicio. Quando determinati nanomateriali a base di zinco o di nanofili di zinco vengono integrati in substrati diversi (p. es. vetro borosilicato, quarzo ecc.), la loro resistenza meccanica aumenta notevolmente. Nei materiali composti da nanostrutture a base di silicio, diverse proprietà meccaniche possono subire un influsso, come l’elasticità del materiale, la sua resistenza alla rottura, l’irrigidimento o l’ammorbidimento.
L’aggiunta di nanoparticelle di ossido di silicio (SiO2) a certi materiali, come ad esempio al calcestruzzo, ne aumenta la resistenza (compressione, flessione, trazione), ma ne modifica anche altre proprietà come il tempo di presa, il cedimento e la durevolezza. Queste proprietà vengono influenzate principalmente dall’effetto di queste nanoparticelle sulle reazioni e sul grado di idratazione del cemento e dalla formazione di microstrutture più compatte.
Infine, le nanoparticelle vengono utilizzate anche in alcuni materiali compositi biologici o nei polimeri. Questi materiali prendono quindi il nome di nanocompositi. Servono principalmente a garantire una resistenza maggiore delle fibre e delle pellicole plastiche, ma possono anche migliorare altre proprietà non meccaniche (protezione contro i raggi UV, materiali ignifughi, rivestimenti anticorrosivi, ecc.).
I nanomateriali magnetici sono solitamente composti da un elemento magnetizzabile come il ferro, il nichel, il cobalto, il cromo, il manganese o il gadolinio. Una delle particolarità delle nanoparticelle è il superparamagnetismo determinato dalle loro dimensioni ridotte. Nel settore delle nanoparticelle, per superparamagnetismo si intende la capacità di una particella di magnetizzarsi sotto l’influsso di un campo magnetico esterno e di tornare al suo stato non magnetico nel momento in cui non si trova più al suo interno (contrariamente al ferromagnetismo). Questa proprietà viene sfruttata in diversi settori medici, come nelle applicazioni terapeutiche che prevedono la distruzione per ipertermia delle cellule tumorali, ma anche nella somministrazione di farmaci nei tessuti bersaglio o ancora in determinate tecniche di imaging medico (risonanza magnetica nucleare).
Le nanoparticelle e le loro proprietà magnetiche hanno un’applicazione molto ampia. Vengono utilizzate infatti ad esempio nei supporti di memoria, nella preparazione dei campioni in chimica analitica (p. es. isolamento e pre-concentrazione degli analiti), nelle tecniche di fluorescenza (p. es. imaging cellulare) oppure vengono utilizzate per il risanamento dei siti contaminati (p. es. per assorbire i metalli pesanti).
In natura esistono anche nanoparticelle magnetiche, come nelle rocce, utili a determinare il campo magnetico terrestre. Inoltre, alcuni batteri sono dotati di un nanomagnete per allinearsi al campo magnetico terrestre. I becchi di alcuni animali, come gli uccelli, sono dotati di nanoparticelle sensibili al campo magnetico terrestre che consentono loro di orientarsi.
Le proprietà elettriche di un materiale sono caratterizzate dalla sua conduttività (definita dalla quantità di carica elettrica trasferita per unità di tempo) e dalla sua resistenza elettrica (l’opposto della conduttività). In base alla loro resistenza elettrica, è possibile classificare i materiali tra i materiali metallici, i semiconduttori o gli isolanti.
I CNT ne sono un ottimo esempio, poiché la loro conduttività dipende dal modo in cui le varie unità degli esagoni sono disposte: se gli esagoni sono orientati «a sedia» per la lunghezza del tubo, allora conducono la corrente elettrica meglio del rame. Invece, quando i CNT sono costituiti da esagoni legati a «zig-zag» o quando sono «chirali», si comportano come semiconduttori. I semiconduttori sono utilizzati ad esempio come transistor nei dispositivi elettronici come i computer o i rilevatori di gas. La conduttività dei CNT, possibile grazie ai doppi legami carbonio-carbonio (legami π), deriva dalla delocalizzazione degli elettroni. La conduttività può essere modificata dai legami tra altre molecole e questi nanotubi.
I nanomateriali a base di metallo, come l’oro, l’argento, alcuni ossidi di cobalto o ancora alcune altre leghe e composti, hanno proprietà molto interessanti per quanto riguarda la conduttività sia elettrica che termica. Questo settore di ricerca è importante per la conversione dell’energia termica in energia elettrica e viceversa, per esempio per la produzione di energia elettrica e a fini di refrigerazione. In questo contesto, i gruppi di ricerca lavorano su nanomateriali e composti contenenti nanomateriali a base di silicio, di tellururo di bismuto, di skutterudite binaria e di argento. Alcuni materiali detti «termoelettrici» permetterebbero ad esempio di migliorare la produzione di energia elettrica e la rivalorizzazione energetica durante l’incenerimento dei rifiuti.
I nanomateriali potrebbero anche migliorare la capacità di stoccaggio dell’energia elettrica migliorando diverse proprietà delle batterie. Infatti, l’uso di alcuni nanomateriali potrebbe migliorare le batterie al litio aumentando la densità di potenza (potenza rispetto alla massa), riducendo il rischio di incendio o aumentando la velocità di carica/scarica. Questi nanomateriali potrebbero, ad esempio, aumentare l’efficienza dei veicoli elettrici o ibridi.
I nanomateriali hanno diverse proprietà che consentono di aumentare la velocità, il rendimento o la stereoselettività di una reazione chimica. Questo settore di ricerca e di applicazione industriale prende il nome di nanocatalisi. Le proprietà catalitiche principali dei nanomateriali derivano dai loro effetti di superficie e quantici. Gli effetti di superficie sono dovuti al fatto che la superficie specifica per unità di volume dei nanomateriali è molto più elevata. Questa proprietà permette al nanocatalizzatore di interagire meglio con le molecole circostanti rispetto a un catalizzatore classico. La maggiore reattività dei nanocatalizzatori è dovuta anche a effetti quantici determinati dalla loro dimensione. Questo fenomeno deriva dal confinamento degli elettroni in particelle di dimensioni inferiori rispetto al loro corrispettivo sfuso. Al diminuire delle dimensioni delle particelle, la superficie specifica aumenta e si verifica un effetto quantico che modifica profondamente le proprietà dei materiali.
Questi nanocatalizzatori sono utilizzati in numerosi settori dell’industria petrolifera e farmaceutica e possono essere facilmente separati e riciclati. Ne è un chiaro esempio l’oro. Nella sua forma macroscopica, questo metallo prezioso è quasi inerte. Tuttavia, in forma nanometrica, diventa un catalizzatore molto efficace nella lotta all’inquinamento atmosferico e nei controlli di qualità dell’aria (purificazione dell’aria, sonde di monitoraggio), nelle celle a combustibile alimentate a idrogeno o nella sintesi di additivi alimentari come l’acido gluconico.
Infine, alcune nanoparticelle hanno proprietà fotocatalitiche che possono essere utilizzate per risanare l’ambiente da inquinanti o rifiuti pericolosi. Questi processi sono possibili grazie all’uso di semiconduttori composti da ossidi metallici come il biossido di titanio (TiO2). Questi nanomateriali facilitano la mineralizzazione (ossidazione) di alcuni inquinanti, come gli idrocarburi alifatici o aromatici clorurati, in altre molecole meno tossiche o innocue per l’ambiente.
L’idrofobia o l’idrofilia di un materiale naturale o artificiale è definita in base all’angolo che una goccia d’acqua forma sulla sua superficie. Quest’angolo definisce se il materiale si bagna o meno a contatto con l’acqua. Quando l’angolo che una goccia d’acqua forma con un materiale è superiore a 90°, il materiale non è bagnato e viene definito idrofobo. Quando l’angolo formato tra la goccia d’acqua e il materiale è inferiore a 90°, l’acqua si diffonde sulla superficie, definita come idrofila.
Alcuni nanomateriali naturali o artificiali hanno qualità superidrofobe. Ciò significa che una goccia d’acqua forma un angolo di oltre 150°, facilitando molto il deflusso da una superficie composta da tali nanomateriali. I materiali superidrofobi sono studiati e utilizzati per le loro proprietà antivegetative e autopulenti sulle superfici degli edifici, nei gasdotti per proteggere dalla corrosione o nei dispositivi tecnici microfluidici (p. es. per i sistemi medici).