Nanomateriali: proprietà, nanotecnologie

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.

nanotubi

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.

ARGOMENTI

GLI ULTIMI ARGOMENTI

TI POTREBBE INTERESSARE

Resa percentuale in una reazione. Esercizi svolti e commentati

La resa percentuale di una reazione costituisce un modo per valutare l'economicità di una reazione industriale che può essere accantonata se è bassa. Si possono...

Bilanciamento redox in ambiente basico: esercizi svolti

Il bilanciamento di una reazione redox in ambiente basico  può avvenire con  il metodo delle semireazioni. Nel bilanciamento vanno eliminati di eventuali ioni spettatori...

Reagente limitante: esercizi svolti

Si definisce reagente limitante di una reazione chimica quella specie che si consuma per prima e che determina la quantità dei prodotti di reazione. Per...