Nanocompositi

I nanocompositi sono materiali eterogenei realizzati su scala nanometrica combinando polimeri con solidi inorganici ottenuti generalmente da argille e ossidi. Vi sono, tuttavia, nanocompositi a base non polimerica costituiti da metallo con ossidi metallici, ceramica con nanoparticelle metalliche e ceramiche con altri nanocompositi ceramici.

I ricercatori si sono recentemente concentrati sullo sviluppo di nuovi nanocompositi da fonti rinnovabili e sostenibili a causa delle grandi preoccupazioni per l’ambiente, l’accumulo e la distruzione dei rifiuti e l’inevitabile esaurimento delle risorse fossili.

I nanocompositi sono costituiti da due o più tipi di nanoparticelle e mostrano proprietà superiori rispetto alle nanoparticelle costituenti. Le loro proprietà ottiche, elettriche, meccaniche, termiche ed elettromagnetiche variano notevolmente rispetto alle nanoparticelle prodotte, rendendole la scelta ideale in varie applicazioni energetiche come nelle celle solari, distillatori solari, supercondensatori e celle a combustibile.

Classificazione dei nanocompositi

A seconda della matrice i nanocompositi sono classificati in:

ceramici che contengono ossidi, carburi e nitruri in combinazione con elementi metallici o non metallici. I rivestimenti di ossidi di metalli di transizione rivelano proprietà migliori di altri ossidi metallici o organici anche a spessori di pochi nanometri, grazie alla loro stabilità di fase e resistenza alla frattura.

I nanocompositi ceramici sono stati applicati in campo industriale grazie alle loro notevoli proprietà come resistenza alla corrosione, ossidazione ad alta temperatura e buona resistenza all’usura rispetto a quella dei metalli in ambienti ad alta temperatura.

a matrice metallica a matrice metallica in cui un metallo leggero come una lega di alluminio o magnesio è rinforzato con particelle di rinforzo ad alta resistenza per produrre materiali compositi leggeri ad alta resistenza.

Sono strutture ingegnerizzate avanzate che possono fornire maggiore resistenza statica e alla fatica, eccellente usura e migliore resistenza allo scorrimento viscoso, proprietà termiche e di smorzamento superiori. Sono pertanto adatti in innumerevoli applicazioni nel campo dei trasporti, automobilistico, aerospaziale, marino, elettronico e per utensili da taglio, impianti medici. Hanno inoltre dimostrato una notevole efficacia antimicrobica contro i batteri resistenti ai farmaci, inibendo efficacemente la proliferazione di questi ceppi.

a matrice polimerica contenenti nanoparticelle inorganiche come i nanotubi di carbonio disperse nella matrice polimerica organica. Offrono  vantaggi come la riduzione dell’attrito, il miglioramento della resistenza alla corrosione e hanno trovato un’ampia gamma di applicazioni, dai giocattoli agli aerei e in applicazioni automobilistiche.

Proprietà

Negli ultimi anni, si è sviluppata la ricerca sui nanocompositi per quanto attiene il controllo delle nanostrutture e adeguati metodi sintetici. La morfologia e le caratteristiche interfacciali dei materiali determinano infatti le proprietà dei nanocompositi come temperatura, proprietà magnetiche e la capacità di carica. Poiché le nanoparticelle e i nanostrati hanno un’elevata superficie rispetto al volume sono ideali per l’utilizzo insieme ai materiali polimerici.

Tali strutture combinano le proprietà di ciascuna componente che ha proprietà meccaniche e superconduttrici migliorate per applicazioni avanzate. Questa caratteristica è presa in considerazione per la formazione delle matrici per i polimeri nei risultanti nanocompositi ibridi.

Questi nanocompositi inorganici sono utili per le proprietà elettroniche e di trasporto di carica e hanno anche proprietà meccaniche superiori come costanti dielettriche elevate. I nanocompositi hanno proprietà migliorate rispetto alle proprietà dei materiali di qualità come proprietà meccaniche come resistenza, modulo, stabilità dimensionale, tenacità e conduttività elettrica e conduttività termica.

Preparazione

Per la preparazione di nanocompositi a matrice ceramica tipicamente si utilizza, quale matrice, l’ossido di alluminio, il carburo di silicio  o il nitruro di silicio usando un processo di macinazione a sfere ad alta energia per ottenere le nanoparticelle.

I metodi di lavorazione più comune sono, tra gli altri, la deposizione chimica da vapore (CVD) attraverso la quale si ottengono materiali solidi.  Nella deposizione chimica un substrato è esposto a uno o più precursori volatili che reagiscono o si decompongono per dare un prodotto che si deposita sul substrato.

I nanocompositi a matrice metallica presentano, generalmente, una matrice metallica, comunemente costituita da leghe leggere di alluminio o magnesio, rinforzata con nanoparticelle ben disperse. Lo stir-casting è il metodo più comune in cui le particelle di rinforzo sono incorporate nella matrice metallica fusa.

Questo processo è stato ampiamente utilizzato per incorporare particelle di ceramica, nanotubi di carbonio, grafene e ossido di metallo in matrici di magnesio e alluminio.

I nanocompositi polimerici possono essere classificati in base alla morfologia del prodotto ottenuto, alla dimensione dei nanomateriali, alla risposta termica e alla classe dei polimeri. Possono essere preparati con molti metodi, ma i metodi più comuni sono la dispersione della soluzione, la polimerizzazione in situ e l’estrusione del fuso.