Nanotecnologia


    Nell'ultimo decennio investimenti sempre maggiori stanno aiutando una nuova disciplina ha sfondare nel nuovo panorama della tecnologia e della scienza dei materiali, la nanotecnologia.

    Con questo termine si vuole indicare la scienza che ricerca e sviluppa nuovi materiali ed applicazioni su scala nanometrica (10-9 m), presentandosi come un nuovo strumento per sviluppare materiali innovativi per la tecnologia di domani.

    [inline: 1=Immagine - 1 - Fullerene. Sono indicate anche le classi di simmetria] Immagine - 1 - Fullerene. Sono indicate anche le classi di simmetria

    L'interesse particolare per lo sviluppo di questi materiali risiede nel comportamento tra materiali di dimensioni dell'ordine dei nanometri e dell'ordine dei centimetri o metri.

    Gli atomi di un solido, in un certo senso, perdono la loro identità per cooperare a determinare le proprietà fisico-chimiche macroscopiche.

    Le dimensioni di un solido macroscopico non ne influenzano le proprietà.

    Le dimensioni di un oggetto cominciano, invece, ad essere importanti nel determinare le caratteristiche quando ci riavvicina alla scala di qualche decina di nanometri, dove gli effetti quantistici cominciano a non essere più trascurabili.

    Questo è il terreno ancora inesplorato dei materiali nanostrutturati.

    Fullereni e Nanotubi - il Buckminsterfullerene

    I principali protagonisti di questa tecnologia sono composti a base di carbonio noti come fullereni e nanotubi. I primi possono essere considerati la terza forma allotropica del carbonio (dopo diamante, tetraedrico, e grafite, planare).

    [inline: 2=Immagine - 2 - Schema arco elettrico] Immagine - 2 - Schema arco elettrico. La reazione avviene in atmosfera di elio.

    Sono aggregati con struttura a gabbia, molto stabile, a diverso numero di atomi di carbonio.
    La struttura più importante è il C60, conosciuto anche come Buckminsterfullerene (Immagine 1).

    La particolare forma e la notevole stabilità di questo aggregato a 60 atomi di carbonio (12 pentagoni e 20 esagoni) è stata prevista ben prima della scoperta sperimentale, in base a considerazioni di stabilità e simmetria.

    Le origini

    La scoperta risale al 1985, Richard E. Smalley e Robert E. Curl della Rice University di Houston e Harold Kroto dell'Università del Sussex riuscirono a identificare la presenza, pochi femtogrammi (10-15 g), di questo ed altri aggregati, analizzando allo spettrometro di massa i prodotti della combustione mediante laser di un disco di grafite.

    Sebbene i meccanismi di formazione di queste molecole non siano noti con precisione, si è riusciti con gli anni a produrre fino ad alcuni milligrammi con un arco elettrico (Immagine 2).

    I fullereni presentano un'interessante reattività. È possibile, infatti, mediante reazioni note in chimica organica, inserire gruppi funzionali sulla gabbia.

    Queste funzionalizzazioni conferiscono un'ulteriore reattività al fullerene che può essere sfruttata per disegnare sensori chimici e/o reattivi particolari.

    Applicazioni dei fullereni

    Ad oggi la ricerca in questo campo ha trovato importanti applicazioni dei fullereni in radiodiagnostica come radiotraccianti inglobando all'interno della struttura un radioisotopo, come inibitori dei siti attivi delle proteasi (utili ai virus per la loro proliferazione, incoraggianti risultati sono stati ottenuti in soluzione acquosa di HIV); come lubrificante è facile immaginare il loro utilizzo ed, infine, nel campo della superconduttività si è riusciti ad ottenere un discreto risultato con il C60/CHBr3 (una molecola di CHBr3 inglobata all'interno della gabbia) a 120 K.

    I nanotubi possono essere considerati come costituiti da uno strato di grafite avvolto su se stesso (Immagine 3)

    [inline: 3=Immagine - 3 - Grafite (a sinistra) e nanotubo (a destra)] Immagine - 3 - Grafite (a sinistra) e nanotubo (a destra)

    È possibile ottenere nanotubi a singola parete o multipla nei quali la distanza fra i vari strati è identica a quella riscontrabile tra i piani di grafite.

    Alcune caratteristiche

    Possiedono notevoli proprietà meccaniche e fisiche che giustificano l'interesse che la ricerca rivolge a questi aggregati.

    Risultano stabili fino alla temperatura di 2500 °C sotto vuoto, sono in grado di trasportare una corrente elettrica fino a 109 Ampere contro i 106 Ampere di un cavo in rame.

    Svantaggi dei fullereni

    L'unico svantaggio è il costo di produzione che si aggira intorno ai 1000 Euro/grammo.

    Lo sviluppo dei nanotubi ha portato a sviluppare ulteriormente la tecnologia, esempi interessanti di questo tipo sono la CVD (Chemical Vapor Deposition), che consente con fasci supersonici di depositare e crescere in modo ordinato gruppi di nanotubi secondo una maschera litografata.

    Lo studio nanostrutturale è compiuto con l'osservazione al microscopio a forza atomica, AFM (Atomic Force Microscopy).

    Conclusioni

    In queste pagine ho voluto presentare, in termini generali, cosa si intende per nanotecnologia e le sue tematiche principali. E' interessante, in futuro, poter porre l'attenzione ed approfondire le applicazioni e gli sviluppo in questo campo.
    Per approfondire e svelare alcune curiosità, sono disponibili testi, essenzialmente in lingua inglese e costosi.
    Una fonte interessante e in ogni caso esauriente è il Web.

    Sitografia

    The Nanotube Site - Michigan State University http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html

    NNI - National Nanotechnology Iniziative www.nano.gov

    NanoTechnology Magazine http://planet-hawaii.com/nanozine/

    Chem Web - Chemistry Portal www.chemweb.com

    AFM - Atomic Force Microscope - Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscope

    AFM - Atomic Force Microscope - University of Guelph http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/afm/introdn.htm



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