I nanomateriali possono essere definiti come materiali che possiedono, come minimo, una dimensione esterna di 1-100 nm. I nanomateriali possono essere presenti in natura, ottenuti come sottoprodotti delle reazioni di combustione o sintetizzati per una funzione determinata.
I prodotti dell’industria chimica sono utilizzati per ottenere oggetti che hanno le più diverse dimensioni: da una trave in ferro per costruire un ponte a un chip al silicio per microprocessori. La ricerca e l’avanzamento tecnologico hanno consentito di ottenere materiali su scala o molecolare per produrre oggetti aventi diametro di qualche nanometro; un capello ha un diametro di circa 5000 nanometri ( si ricordi che un nanometro corrisponde a un miliardesimo di metro).
I processi tramite i quali è possibile realizzare tali materiali sono conosciuti come nanotecnologie. È possibile produrre nanomateriali con eccezionali proprietà magnetiche, elettriche, ottiche, meccaniche e catalitiche che sono sostanzialmente diverse dalle loro controparti in massa. Attraverso la progettazione razionale dei nanomateriali è possibile ottenere superfici eccezionalmente elevate. Le loro proprietà possono essere regolate, a seconda delle esigenze, controllando con precisione le dimensioni, la forma, le condizioni di sintesi e la funzionalizzazione appropriata.
Storia
Nel 1974 Norio Taniguchi dell’Università di Tokyo coniò il termine interazioni molecolari. Egli distinse tra microtecnologie, ingegneria su scala micrometrica da un nuovo livello sbu-micrometrico che chiamò nanotecnologia.
Già nel 1986 un ricercatore del MIT Eric Drexler nel libro Engines of creation ipotizzò nuovi scenari sulle nanotecnologie. Lo sviluppo delle nanotecnologie si è avuto negli ultimi venti anni grazie al microscopio ad effetto tunnel (STM). Esso è uno strumento per il rilevamento di superfici a livello atomico: ha una risoluzione laterale di 0.1 nm e una risoluzione in profondità di 0.01 nm. Con questa risoluzione i singoli atomi all’interno dei materiali vengono ripresi e manipolati.
Nello stesso periodo fu scoperta una forma allotropica del carbonio cui fu dato il nome di fullerene la cui molecola era costituita interamente di carbonio avente una forma simile a una sfera cava, di un ellissoide o di un tubolare in cui sono presenti 60 atomi di carbonio C60. I fullereni di forma simile a una sfera o a un ellissoide sono chiamati buckyball, mentre quelli di forma tubolare sono chiamati buckytube o nanotubi di carbonio.
Sono costruiti nanotubi con un rapporto lunghezza-diametro fino a 132000000 significativamente maggiore rispetto a qualsiasi altro materiale. Tali molecole esibiscono proprietà insolite preziose per le nanotecnologie, per l’elettronica, l’ottica e in altri campi della scienza dei materiali stante la loro straordinaria conducibilità termica, meccanica e elettrica trovano applicazioni come additivi per materiali strutturali.
I nanomateriali possono essere ottenuti sia riducendo macrostrutture a nanoscala (approccio top-down) sia con l’assemblaggio di strutture di atomi o molecole (approccio bottom-up).
Proprietà dei nanomateriali
Alcune delle proprietà dei nanomateriali sono dovute all’enorme aumento della superficie quando si passa da un materiale in polvere a un materiale nanoparticellare. L’aumento della superficie porta ad un aumento del numero di reazioni che possono avvenire su di esse. Inoltre i nanomateriali possono formare, insieme ad altri materiali con diverse e migliori proprietà.
Un approccio di tipo top-down è effettuato con la fabbricazione di microprocessori in cui radiazioni U.V. e raggi di elettroni sono usati per tagliare wafers di silicio per ottenere circuiti con struttura nanoparticellare ( meno di 50 nm). Tale tipo di approccio porta, tuttavia, a uno spreco di materiale costoso per cui è preferito il metodo bottom-down. Le nanostrutture si formano perché ogni atomo o molecola riconosce la sua posizione naturale analogamente a quella della costruzione delle strutture cristalline.
Le nanotecnologie sono utilizzate per applicazioni nei campi più svariati, da quello della chimica, fisica, biologia fino all’ingegneria, all’elettronica molecolare e ai materiali innovativi.