Nanoscienze e Nanosistemi

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1 Nanoscienze e Nanoscienze e Fabrizio Mancin Dipartimento di Scienze Chimiche Edificio Chimica Organica, II Piano, Stanza 5 tel , [email protected], Università U di of Padova T

2 Chimica Organica II Obiettivi formativi del corso: Il corso si propone di introdurre gli studenti a mondo dei nanosistemi, con particolare attenzione alle nanoparticelle. In particolare, verranno prese in considerazione i metodi di preparazione, le proprietà e le possibili applicazioni delle principali classi di nanoparticelle. Tipologie di nanosistemi Proprietà e stabilità Metodi di preparazione Metodi di caratterizzazione Possibili applicazioni

3 Chimica Organica II Nanoscienza e Nanotecnologia Nanoscienza: studio delle proprietà e della preparazione di di materiali nella scala dei nanometri. Nanotecnologia: progettazione, la caratterizzazione, la produzione e applicazione di strutture, dispositivi, sistemi, mediante l uso di materiali nella scala nanometrica There's Plenty of Room at the Bottom December 29th, 1959 What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale.. When we get to the very, very small world---say circuits of seven atoms---we have a lot of new things that would happen that represent completely new opportunities for design. Atoms on a small scale behave like nothing on a large scale, for they satisfy the laws of quantum mechanics. Richard Feynman

4 Le dimensioni degli oggetti Globuli rossi: 1000 nm Batterio: 1000 nm Microelettrodo: 100 nm Virus: 100 nm Transistor: 30 nm Proteina: 10 nm DNA: 2 nm Ciclodestrina: 1 nm atomo: 0.1 nm Nanoparticella: 10 nm

5 Le dimensioni degli oggetti Nanobiotecnologie Nanoparticelle

6 Quante dimensioni? 1 nano-dimensione: film sottili 5 m 2 nanodimensioni: nanofili 3 nanodimensioni: nanoparticelle

7 Anche il vuoto è nano Materiali mesoporosi: ciò che è nano sono i buchi! Il nano nel nano: nanoparticelle mesoporose, nanocapsule

8 Materiali nanocompositi Cristalli di nanoparticelle Materiali con nanoparticelle inglobate

9 Forme diverse Nanobiotecnologie Sulla superficie o all interno del materiale vengono create delle nanostrutture

10 Materiali nanostrutturati Sulla superficie o all interno del materiale vengono create delle nanostrutture

11 Nanostrutture naturali Diatomee (micromolluschi) Terre diatomacee Filtrazione Dentifrici Abrasione Dinamite Foglia di loto (superidrofobica) Dita del geco (superadesive)

12 Nanocose nella nostra vita Orsetto di peluche con nanoparticelle di argento Terra diatomacea, zucchero di canna e aceto: integratore alimentare Struccatore con nanoparticelle di ossido di zinco e micelle Racchetta da tennis al fullerene Detergente per superfici con nanoparticelle di argento e silice Crema antirughe con nanoparticelle di silice

13 Nanofabbricazione: top-down Mulino a palle Nanolitografia Circuiti integrati (45 nm e meno)

14 Nanofabbricazione: top-down Dip-pen litography Focused ion beam

15 Nanofabbricazione: bottom-up NCS H 2 N H N H N S

16 Nanoparticelle e affini Nanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm. Nanocristallo: cristalli singoli con almeno una dimensione al di sotto di 100 nm Nanocluster: insieme di atomi legati covalentemente di dimensioni tra 1 e 10 nm. Nella definizione originale doveva contenere legami covalenti metallo-metallo, ma ora anche fullerene e borano sono considerati cluster. C 60 B 12 H 12 2-

17 Tipi diversi di materiale Nanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm. Nanobiotecnologie o o o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni Elevato rapporto superficie/volume Tensione superficiale Tendenza all aggregazione

18 Tipologie di nanoparticelle Virtualmente, ogni materiale noto può essere utilizzato per formare nanoparticelle: Fullerene, nanotubi di carbonio, grafene, nanoscroll Dendrimeri Aggregati di tensioattivi Nanoparticelle polimeriche, microemulsioni, nanoparticelle organiche Nanoparticelle metalliche (Au, Ag, Cu, Pt, Pd, ma anche Si, C) Nanoparticelle di semiconduttori (ZnS, SeCd, TeCd, ) Nanoparticelle di ossidi (ZnO, SiO 2, TiO 2, ZrO 2, Fe 3 O 4 ) Le morfologie possono essere molto differenti: Sfere o poliedri (nanoparticelle) Cilindri o sfere allungate (nanorod) Gusci vuoti o particelle multistrato (nanoshell e core-shell) Stelle a 4 punti (tetrapods) Altre strutture Molecole Nanoparticelle soft Confinamento quantico

19 Nanoparticles growth Nanobiotecnologie Free energy variation for the formation of a spherical particle Molecular volume of the building block Molar fraction of the particles of radius r Surface tension r > r* growth r < r* dissolution Smaller particles grow more rapidly than larger ones focusing

20 Surface stabilization Nanobiotecnologie All the nanoparticles tend to aggregate: aggregation decreases the total surface and hence the second term of the equation (related to surface tension) Surface tension may is decreased with surfactants. Nanoparticles aggregation may be kinetically prevented by: o o Electrostatic repulsion (surface charge) Steric repulsion

21 Stabilizzare le nanoparticelle Nanobiotecnologie A causa dell elevata tensione superficiale le nanoparticelle tendono ad aggregare. L aggregazione può essere evitata in due modi. Stabilizzazione elettrostatica Stabilizzazione sterica Dipende dalla costante dielettrica del mezzo (soluzioni saline!) Dipende dalla carica totale (dimensioni della particella) Spesso l aggregazione è irreversibile Dipende dalla solubilità Normalmente l aggregazione è reversibile