Introduzione alle Nanotecnologie1° moduloDaniela MAGGIONIAA 2015/16

Notizie preliminari sul modulo3 CFU, 24 oreDocente:Dott.ssa Daniela MaggioniContatti:e-mail: daniela.maggioni@unimi.itLezioniMartedì dalle 11.30 alle 13.30 aula 206Giovedì dalle 10.30 alle 11.30 aula 206Venerdi dalle 10.30 alle 11.30 aula 402Orario Ricevimento in ufficio:ogni pomeriggio su appuntamentoDipartimento di Chimica, Corpo A, 1° piano lato C, ex dip. CIMA stanza 1051

Testi di riferimentoNon esiste un libro di testo

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Notizie preliminari sul modulo

Nel corso ci si propone di descrivere in primo luogo: Metodi di preparazione di nanomateriali Strumenti e metodi per la caratterizzazione di

nanomateriali

Applicazioni dei nanosistemi in particolare in ambitobiomedico

1985 – La scoperta del fullerene

Il C60 è costituito da 12 pentagoni e 20 esagoni, con ciascun pentagono circondato da cinque esagoni. E’

composto da 60 atomi di carbonio ed ha la stessa geometria di un pallone da

calcio. Il diametro è di circa 1 nanometro.

Fullerene (C60)

Il primo nanomateriale?

Detto anche Buckminsterfullerene a causa dellasomiglianza con le strutture architettoniche dettecupole geodetiche predilette dall’architettoRichard Buckminster Fuller.

Le forme allotrope del carbonio

Diamante Grafite

1991 – i nanotubi di carbonioI nanotubi di carbonio sono entità chebasate su strutture simili a quelle deifullereni. Si ottengono unendo esagoni dicarbonio arrotolati come una sorta ditappeto e chiuso eventualmente alle dueestremità da mezza molecola di fullerene.

Dotati di caratteristiche eccezionali stanno trovando impiego in moltissimiambiti, ad esempio come incapsulanti di principi chimici fortementecitotossici nella cura di tumori polmonari.

Nanotubi di carbonio

Cos’è una nanoparticella?Primo problema: non c’è un’univoca definizione

Nanoparticelle nella storiaIl primo esempio di nanotecnologia: la coppa di Licurgo (IV sec d.C.)

Luce riflessa Luce trasmessa

For details about the British Museum see the website:http://www.britishmuseum.org/explore/highlights/highlight_objects/pe_mla/t/the_lycurgus_cup.aspx

Questo reperto straordinario è l’unico reperto storico fatto con un vetro molto speciale, noto come vetro dicroico, che cambia colore quando illuminato: la coppa verde opaco diventa colorata di un raggiante rosso traslucente quando illuminato dall’interno.

Nanoparticelle d’oro nella coppa di LicurgoIl primo esempio di nanotecnologia: la coppa di Licurgo (IV sec d.C.)

I. Freestone, N. Meeks, M. Sax and C. Higgitt, 'The Lycurgus Cup: A Roman nanotechnology', Gold Bulletin, 4 (2007), pp. 270–277

L’analisi del vetro ha rivelato che il vetro contiene una piccolissima quantità di finissimi ( 70 nm) cristalli metallici di Ag e Au in un rapporto molare approssimativo di 14 : 1, che gli conferisce questa inusuale proprietà ottica.E’ la presenza di questi nanocristalli che da alla coppa di Licurgo il suo colore speciale

Nanoparticelle d’oro nella coppa di LicurgoLa Coppa di Licurgo è un vaso di vetro del quarto secolo d.C., di fattura romana, conservato alBritish Museum di Londra. Ha una proprietà particolare: esposto in piena luce è verde, ma intrasparenza, quando la luce lo attraversa, è di un colore rosso rubino intenso. Per fabbricareoggetti di questo tipo, gli artigiani romani aggiungevano al vetro fuso la «porpora diCassio», un composto a base di polvere d'oro. Modellavano il vaso e lo lasciavanoraffreddare. Poi lo riscaldavano di nuovo fino a 500-700 °C e rapidamente lo immergevanonell'acqua fredda. Nella struttura amorfa del vetro si formavano minuscoli agglomerati d'oroche riflettevano la luce in modo tale da produrre la stupefacente colorazione rossa. Latecnica fu riscoperta in Europa nel XVII secolo e viene usata ancora oggi dai maestri vetrai di tuttoil mondo che, al posto della «porpora di Cassio», mescolano al vetro fuso una soluzione di acidotetracloroaurico.Ora un gruppo di ricercatori dell'Università Ca' Foscari di Venezia e dell'Università di Monaco haanalizzato la composizione del vetro cangiante e ha descritto il processo chimico responsabile delfenomeno. I risultati dello studio sono apparsi su un numero della rivista «Nature». SandroCalogero e Friedrich Wagner, autori della ricerca, hanno esaminato il vetro con una tecnica notacome spettroscopia Mossbauer, che permette di determinare a livello atomico la struttura di alcunimateriali. Hanno scoperto che nella prima fase della lavorazione, quando il vaso prende forma, l'orosi diffonde nella matrice di vetro sotto forma di atomi ossidati che non influiscono sulle proprietàottiche del materiale. Per questo l'oggetto, appena solidificato, è incolore. Quando viene riscaldatoper la seconda volta e poi repentinamente raffreddato, gli atomi d'oro si liberano dal legame conl'ossigeno e si riuniscono a formare particelle di metallo di dimensioni variabili da 5 a 20 nanometri.

Before Striking Gold in Gold-Ruby GlassNature 407(6805):691-2 · November 2000

Vetrate delle cattedrali gotiche europeeLa nanotecnologia è evidente in varie chiese storiche. Una ben nota applicazionedella prima nanotecnologia è il colore rosso rubino che era utilizzato per lacolorazione delle vetrate durante il medioevo. Dei bellissimi esempi di applicazionipossono essere trovati in molte cattedrali gotiche europee, tra cui la cattedrale diNotre-Dame de Chartres.

Dimensioni e forme diverse, colori diversi!

Cronologia di una storia

Cronologia di una storia

Cronologia di una storia

Cronologia di una storia

Richard Feynman: il Padre delle Nanotecnologie

“There’s plenty of room at the bottom”

(Premio Nobel per la Fisica nel 1965)..il 29 dicembre 1959 tenne un famoso discorso

"Ciò di cui voglio parlare è la questione di manipolare e controllare le cose su una piccola scala. Appena accenno a questo argomento, la gente mi parla della miniaturizzazione e di quanti progressi si siano fatti fino ad oggi. Mi parlano di motori elettrici grandi quanto l’unghia del vostro mignolo[..]. Ma questo è niente; è il passo più primitivo nella direzione che intendo discutere[..]. Quando nel 2000 la gente si guarderà indietro, si chiederà perché si sia arrivati al 1960 prima di muoversi seriamente in questa direzione.

http://www.fotuva.org/online/

Dal discorso di Feynman il giorno del conferimento del premio Nobel

“Pensiamo alla punta di uno spillo, uno spazio abbastanza ristretto, eppure, entrando nel mondo delle nanotecnologie, scopriremo che anche in un luogo così esiguo, c’è abbastanza spazio per scrivere nientemeno che tutti i ventiquattro volumi dell’Enciclopedia Britannica”

La scala dimensionale

1 nm = 10-9m

Dimensioni a confronto

Nanosheets, nanowires, quantum dots

Nanopori e strutture mesoporose

Proprietà dipendenti dalla taglia

Esempi di proprietà che sono influenzate dalla dimensione del materiale sono:1) Punto di fusione 2) Magnetismo3) Colore d’assorbimento4) Colore di emissione5) Conducibilità6) Reattività della superficie7) ….

La materia quando ha dimensioni nanometriche cambia alcune delle sue proprietà chimico-fisiche. Si tratta di una condizione intermedia tra quella macroscopica e quella molecolare.

Prendendo spunto dalla natura

Curioso esempio di bionanotecnologia è il meccanismo delle zampette del geco:si attaccano dovunque in quanto presentano dei peli di dimensioni nanometriche sotto le zampette.

La strategia del geco

Prendendo spunto dalla naturaLa strategia del geco

La zampa del geco è’ ricoperta di sottilissime setole (setae) grandi circa 100 milionesimi di metro (100 mm), ognuna delle quali termina con una serie di 1000 cuscinetti (spatulae) il cui diametro è di qualche decina di nanometri

setae spatulaehttp://www.cchem.berkeley.edu/rmgrp/about.html

Le ali della farfalla MorphoSe tocchiamo le ali di una farfalla Morpho,sulle nostre dita rimane una polverinacolorata; ingrandendo quest’ultima fino alivello nanometrico notiamo che è formatada una serie di strutture simili ad alberelli diNatale.In questo caso il colore cangiante delle alidipende non dai pigmenti ma dalla struttura(colori strutturali). Pattern superficiali allamicro o nanoscala (devono avere dimensionitipiche, confrontabili con quelle dellaradiazione visibile) provocano interferenzatra la luce incidente e riflessa causando laformazione di onde elettromagnetichecorrispondenti a colori diversi.

Il fior di loto: superficie autopulenteLe foglie e i petali sono autopulenti. Dotate di elevata idrorepellenza, esse riescono a mantenersi pulite e asciutte grazie alla microruvidità a livello nanometrico della foglia che consente alla goccia di scivolar via velocemente portando con sé particelle di polvere..

Diatomee

• http://www.isprambiente.gov.it/it/banche-dati/acque-interne-e-marino-costiere-1/atlante-delle-diatomee-bentoniche-dei-corsi-dacqua-italiani/informazioni-generali-1/cosa-sono-le-diatomee-1

DentifriciFiltrazioneAbrasione Dinamite

Alghe unicellulariDa wikipedia: grandi depositi di diatomee fossili (gusci senza organismi che sono ormaimorti) formano spessi sedimenti noti come diatomite (o farina fossile), la quale vieneutilizzata per le sue proprietà abrasive (ad esempio nei dentifrici) o filtratorie (nellepiscine). Insieme alla nitroglicerina è il principale ingrediente della dinamite, ove funge dastabilizzante. Viene anche usata per la lavorazione del vetro e, in passato, per l'affilaturadei coltelli e per la costruzione di vasi

Nano e società

Nano e società, due esempiCreme per protezione solare:

Per avere protezione completa dalla radiazione solare, si usano creme contenenti ossido di zinco nanostrutturato (una sostanza di colore bianco). Usando nanoparticelle, di dimensione 30-60 nm, è stata creata una formulazione che blocca tutti i raggi UV, ma è completamente trasparente alla luce visibile.

Filando nanotubi di carbonio si ottengono fibre per tessuti più tenaci del filo della tela del ragno e servono per fabbricare:

Corde e imbragature di sicurezza Coperte anti-esplosione per le aree cargo degli aerei Giubbotti e schermi anti-proiettile

Tessuti ingegnerizzati

Questi tessuti sfruttano l’effetto loto naturale delle piante che si basa sulle forze di coesione tra le particelle:

su superfici liscie, le particelle contaminanti sono solo spostate dal movimento delle goccioline d’acqua.

su superfici rugose, invece, esse aderiscono alle goccioline d’acqua e rotolano via, lasciando la foglia pulita

Tessuti senza pieghe, senza macchie, impermeabili, traspiranti

Marmitte catalitiche nanostrutturateMarmitte catalitiche nanostrutturate per convertire i prodotti della combustione delle benzine in sostanze atossiche.

Pneumatici alle nanoparticelle

Nuove generazioni di pneumatici contenenti fullereni e nanotubi di carbonio in grado di fornire una maggiore resistenza all’usura insieme a migliori prestazioni, in termini di tenuta di strada, sia in condizioni normali che sul bagnato o sulla neve

Settore sanitarioCerotti protettivi:

Utilizzando le note proprietà antibatteriche dell’argento, sono in commercio garze contenenti nano-particelle di tale metallo per curare le ferite provocate da ustioni in modo migliore rispetto ai cerotti tradizionali.

Sintesi di nanoparticelle: due approcci opposti

“top down”: ridurre con metodi fisici le dimensioni delle strutture più piccole verso livelli nano.

“bottom up”: partire da piccoli componenti, normalmente molecole, per realizzare nanostrutture sia di tipo inorganico che organico/biologico. È la strada maggiormente seguita.

Classificazione dei metodi top down e bottom up