Le Nanotecnologie applicate ai materiali

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1 Nanotecnologie: una piccola grande rivoluzione Padova Fiere, 5 marzo 2005 Le Nanotecnologie applicate ai materiali Massimo Guglielmi Università di Padova Dipartimento di Ingegneria Meccanica Settore Materiali

2 Cosa s intende per Nanotecnologie? Le Nanotecnologie sono l insieme degli strumenti teorici e tecnologici che consentono la progettazione,, la fabbricazione e l applicazione di nanostrutture e nanomateriali al fine di sfruttare a fini pratici le conoscenze sulle relazioni tra le proprietà fisiche e chimiche e le dimensioni su scala nanometrica.

3 L applicazione delle Nanotecnologie interessa solo settori di tecnologia molto avanzata, ultraspecialistica e di nicchia, o interessa invece anche settori più vasti, che possono così trovare spunti per una innovazione di processo e di prodotto?

4 Cosa vuol dire Nanotecnologie applicate ai materiali? Le nanotecnologie interessano moltissimi settori, ad esempio l elettronica l e la fotonica (dispositivi nanoelettronici e nanofotonici), la meccanica (dispositivi nanomeccanici), la biologia (nanostrutture( biologiche). Nel caso dei materiali, attraverso le nanotecnologie si intende controllare, a livello di sintesi/processo, la struttura dei materiali (metallici, ceramici, polimerici, compositi) a livello nanoscopico,, per sfruttarne le speciali proprietà.

5 I materiali nanostrutturati sono una cosa nuova? In realtà si conoscono e si usano i materiali nanostrutturati da molto tempo. Ne sono un esempio: Le fasi precipitate in leghe metalliche Le particelle di oro colloidale che rendono rosso il vetro La novità sta nel modo nuovo di considerare i piccoli aggregati di materia e nel grande sviluppo delle conoscenze (nanoscienze( nanoscienze) ) che ha consentito la messa a punto di nuove strategie di progettazione, di sintesi e di controllo di strutture così piccole.

6 Il ruolo della Scienza e Ingegneria dei Materiali nelle Nanotecnologie La Scienza e Ingegneria dei Materiali è una disciplina che si fonda sulla comprensione del rapporto tra struttura, proprietà,, prestazioni e processo e ne applica i principi fondamentali. Tuttavia, quando si entra nel mondo dell enormemente enormemente piccolo, le relazioni si modificano ed è necessario rivedere tutte le conoscenze abituali in una prospettiva nuova.

7 Costruire nella dimensione nano Significa sviluppare metodi nuovi di Sintesi Caratterizzazione Produzione

8 Cosa sono i nanomateriali (1 nm = 10-9 m) Kong & Wang, Nano Lett. 3, 1625 (2003) Nanoparticelle di oro su substrato di TiO 2, Valden, et al., Science 281 (1998) Fili di rame (3 nm) su molibdeno Nanoparticelle (0 D) Nanofili, nanofibre, nanotubi (1 D) Film di 160 nm di TaN on su struttura di wafer di silicio. Film sottili (2 D) Nanomateriali massivi (3 D) Materiali Mesoporosi Ibridi organico-inorganici inorganici Materiali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie)

9 Nanomateriali massivi (3 D) Materiali Mesoporosi Es.: Film mesoporoso con tecniche di autoassemblaggio molecolare

10

11 Fast Solvent evaporation substrate

12 Materiale sviluppato nei laboratori del Settore Materiali del Dipartimento di ingegneria Meccanica dell Università di Padova

13 Nanomateriali massivi (3 D) Ibridi organico-inorganici inorganici: controllo della struttura a livello molecolare O Si HO HO O O O Si O O O Si O Si OH CH 2 CH 2 N OO N N OCH S - H OCH 3 3 CHSi O 2 N CH(CH CH 2 ) 2 NH O H(CH (CH 2 ) 32 ) 3 Si SiOCH OCH S H 3 3 O CHOCH OCH N 3 3 Si O O + N CH 2 O CH 2 O CH CH 2 CH CH N CH2 CH 2 CN H H CN CN CN Materiale sviluppato nei laboratori del Settore Materiali del Dipartimento di ingegneria Meccanica dell Università di Padova

14 Nanomateriali massivi (3 D) Nanoparticelle di PbS in matrice di silice mesoporosa Materiali Nanostrutturati (nanograni (Materiale cristallini) sviluppato nei laboratori del Settore Materiali del Dipartimento di ingegneria Meccanica dell Università di Padova) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie) Fibre di ossido (MoO 3 ) in matrice polimerica Particelle di argilla in matrice polimerica Microstruttura di una lega Ti/Al/V sinterizzata

15 Quali sono i vantaggi? Nuove proprietà da modulare, sviluppare ed applicare Miglioramento di proprietà già note Sviluppo di nuovi settori applicativi

16 Ad esempio Piccole quantità di nanoparticelle di argilla in matrice polimerica consentono un incremento importante della resistenza ed un ancora più grande aumento della rigidità,, soprattutto alle alte temperature. Nei metalli sia lo sforzo di snervamento, sia la durezza crescono al diminuire della dimensione dei grani con una legge nota da tempo e che sembra valere anche spingendosi alle dimensioni nanometriche.

17 Il controllo dimensionale (e non solo) di nanoparticelle di semiconduttori consente di ottenere particolari effetti ottici, ad esempio la variazione della lunghezza d onda d di emissione

18 (industriale) (sintetizzato)

19 Queste poprietà possono essere sfruttati per lo sviluppo di svariate applicazioni: laser a stato liquido/solido a lunghezza d onda d selezionabile display luminescenti Sensori labeling biologico (attualmente l applicazione l più utilizzata)

20 Il controllo chimico e morfologico consente di ottenere superfici super-idrofobiche o super-idrofiliche realizzando, ad esempio, materiali auto-pulenti con strategie diverse. Una di queste si basa sul cosiddetto Effetto Loto

21 Effetto Loto

22 La goccia d acqua d non deve bagnare la superficie ed avere perciò angoli di contatto molto grandi. Questo risultato si può ottenere modificando chimicamente la superficie e controllandone la morfologia.

23 Una strategia diversa prevede l uso di superfici super- idrofiliche e fotocatalizzanti,, ad esempio ottenute con film sottili nanostrutturati di biossido di titanio, che modifica le sue proprietà in seguito ad irraggiamento con luce UV. Lo stesso principio consente di avere anche un effetto antiappannamento

24 I nanomateriali offrono enormi possibilità allo sviluppo di sensori Molecole di gas da rilevare Matrice vetrosa luce incidente luce trasmessa nanoparticelle funzionali Materiale sviluppato nei laboratori del Settore Materiali del Dipartimento di ingegneria Meccanica dell Università di Padova

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