Nanoscienze e Nanosistemi

Nanoscienze e Nanosistemi

Fabrizio Mancin

Dipartimento di Scienze ChimicheEdificio Chimica Organica, II Piano, Stanza 5

tel. 049 8275666, e-mail: fabrizio.mancin@unipd.it, http://www.chimica.unipd.it/fabrizio.mancin/

U of TUniversità di Padova

Tipologie di nanosistemi

Proprietà e stabilità

Metodi di preparazione

Metodi di caratterizzazione

Possibili applicazioni

Obiettivi formativi del corso:

Il corso si propone di introdurre gli studenti a mondo dei nanosistemi, con particolareattenzione alle nanoparticelle. In particolare, verranno prese in considerazione imetodi di preparazione, le proprietà e le possibili applicazioni delle principali classi dinanoparticelle.

Chimica Organica II

Nanoscienza e Nanotecnologia

Chimica Organica II

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

Richard Feynman

There's Plenty of Room at the BottomDecember 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.”

Nanosistemi

Le dimensioni degli oggetti

atomo: 0.1 nm

Ciclodestrina: 1 nm

Nanoparticella: 10 nm

Transistor: 30 nm

Microelettrodo: 100 nm

DNA: 2 nm

Proteina: 10 nm

Virus: 100 nm

Batterio: 1000 nm

Globuli rossi: 1000 nm

Le dimensioni degli oggettiNanobiotecnologie

Nanoparticelle

Quante dimensioni?

5 m

1 nano-dimensione: film sottili

2 nanodimensioni: nanofili

3 nanodimensioni: nanoparticelle

Nanosistemi

Anche il vuoto è nanoNanosistemi

Materiali mesoporosi: ciò che è nano sono i buchi!

Il nano nel nano: nanoparticelle mesoporose, nanocapsule

Materiali nanocompositiNanosistemi

Materiali con nanoparticelle inglobate

Cristalli di nanoparticelle

Forme diverse

Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture

Nanobiotecnologie

Materiali nanostrutturatiNanosistemi

Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture

Nanostrutture naturaliNanosistemi

Diatomee (micromolluschi) Terre diatomacee

• Filtrazione• Dentifrici• Abrasione• Dinamite

Foglia di loto(superidrofobica)

Dita del geco (superadesive)

Nanocose nella nostra vitaNanosistemi

http://www.nanotechproject.org/

Struccatore con nanoparticelle di ossido di

zinco e “micelle”Orsetto di peluche con nanoparticelle

di argento

Terra diatomacea, zucchero di canna e

aceto: integratore alimentare

Racchetta da tennis al fullerene

Crema antirughe con nanoparticelle di silice

Detergente per superfici con nanoparticelle di

argento e silice

Nanofabbricazione: top-downNanosistemi

Mulino a palle

NanolitografiaCircuiti integrati (45 nm e meno)

Nanofabbricazione: top-downNanosistemi

Dip-pen litography

Focused ion beam

Nanofabbricazione: bottom-upNanosistemi

NCS H2N

HN

HN

S

Nanoparticelle e affiniNanosistemi

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.

C60 B12H122-

Tipi diversi di materialeNanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.

o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine

o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus

o Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni

Elevato rapporto superficie/volume Tensione superficiale

Tendenza all’aggregazione

Nanobiotecnologie

Tipologie di nanoparticelleNanosistemi

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, SiO2, TiO2, ZrO2, Fe3O4)

Molecole

Nanoparticelle“soft”

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

Confinamentoquantico

Nanoparticles growth

Free energy variation for the formation of a spherical particle

Molecular volume of the building block

Molar fraction of the particlesof radius r Surface tension

r > r* → growth

r < r* → dissolution

Smaller particles grow more rapidly than larger ones → focusing

Nanobiotecnologie

Surface stabilizationAll the nanoparticles tend to aggregate: aggregation decreases the total surface and hence the second term of the equation (related to surface tension)

o Electrostatic repulsion (surface charge)

o Steric repulsion

Surface tension may is decreased with surfactants.

Nanoparticles aggregation may be kinetically prevented by:

Nanobiotecnologie

Stabilizzare le nanoparticelleA causa dell’elevata tensione superficiale le nanoparticelle tendono ad aggregare. L’aggregazione può essere evitata in due modi.

Nanobiotecnologie

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