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NANOTECNOLOGIE PER LE IMPRESEUna panoramica sulle opportunità offerte dalle nanotecnologie alle aziende per migliorare i loro prodotti e servizi

KEEN REGIONSKnowledge and Excellence in Euro-pean Nanotechnology Regions

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NANOTECNOLOGIE PER LE IMPRESEUna panoramica sulle opportunità offerte dalle nanotecnologie alle aziende per migliorare i loro prodotti e servizi

A cura di: Maurizio MalèGrafi ca & layout: Alessandro ToffoliEditore: CRACA Soc. Coop. - Centro Regionale per l’Assistenza alla Cooperazione ArtigianaRealizzato nel mese di maggio 2012

Il presente lavoro è stato realizzato all’interno del progetto KEEN Regions, coordinato da Veneto Innovazione. Il progetto è fi nanziato dalla Commissione Europea all’interno del 7° Programma Quadro nella misura “Capacities Programme - Regions of Knowledge initiative”.Il progetto KEEN-Regions si pone l’obiettivo di accelerare lo sviluppo delle nanotecnologie in tre regioni europee - Veneto (Italia), Rhone Alps (Francia) e Paesi Baschi (Spagna) - attraverso la logica del network, la creazione cioè di collaborazioni stabili tra i centri di ricerca di queste regioni, l’attivazione di sinergie tra le aree e tra mondo del-la ricerca e business e la valorizzazione delle reciproche complementarità. Per raggiungere questo ambizioso obiettivo KEEN-Regions mira a: aumentare il livello di conoscenza rispetto alle strutture ed alle potenzialità di ricerca sia a livello delle singole

regioni che a livello interregionale;· migliorare i legami e la collaborazione tra istituzioni, enti di ricerca ed imprese nelle singole regioni;· incoraggiare la cooperazione transnazionale in aree di comune interesse;· concordare un piano di azione (per le nanotecnologie) comune per le tre regioni.

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IntroduzioneObiettivi della pubblicazioneLa presente pubblicazione vuole offrire una panoramica sullo stato attuale delle nanotecnolo-gie e sulle possibili applicazioni offerte oggigiorno dalla ricerca. In particolare si vogliono far conoscere alle aziende, anche alle piccole e micro aziende, le opportunità offerte dai prodotti che utilizzano nanotecnologie. Queste saranno sempre più presenti nel mercato e conoscerle potrà fare la differenza nel lavoro di un’impresa, indipendentemente dalle sue dimensioni e dal settore in cui essa opera.

Il futuro è NanoImmaginate la Terra a confronto con una pallina da tennis. Ecco, ora avete il confronto tra un metro e un nano-metro, ovvero un miliardesimo di metro. Solo grazie ai microscopi di ultima generazione e a tec-niche sviluppate con faticose e costose ricerche l’Uomo è ri-uscito a lavorare alla scala del nanometro. In questo secolo abbiamo le prime realizzazioni nanotecnologiche, ma siamo appena all’inizio. La scienza ha aperto le porte su un nuovo mondo, in grado di portare ancora più avanti i limiti della tecnologia. Le nanotecnologie, seppur piccolissime e invisibili, hanno infatti già ora numerose applicazioni e in futuro porteranno cambiamenti sempre più grandi nei dispositivi e nel lavoro di ogni giorno.

Nuove proprietàLe speciali proprietà fi sico-chimiche ottenute con le nanotecnologie sono dovute alle diverse dimensioni dei materiali: diminuendo le dimensioni di una sfera il rapporto tra superfi cie e volume aumenta, quindi uno stesso volume di materia ha una superfi cie maggiore ed entra più facilmente in contatto con reagenti, solventi e altri materiali. Sono quindi favorite le reazioni chimiche, come anche i processi fi sici. Alla scala nanometrica inoltre cambiano molte proprietà chimico-fi siche dei materiali che conosciamo, rendendoli ad esempio molto più resistenti o adattabili a diverse esigenze.

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“Una tecnologia a livello

molecolare che ci potrà

permettere di porre ogni

atomo dove vogliamo

che esso stia. Chiamia-

mo questa capacità “na-

notecnologia”, perché

funziona sulla scala del

nanometro, che equivale

ad un miliardesimo di

metro”. [Eric Drexler]

Come si costruiscono i materiali nano?Approccio bottom-up (dal basso verso l’alto): si assemblano a partire da più piccole nanoparticelle (atomi e molecole)Approccio top-down (dall’alto verso il basso): si riducono le di-mensioni di un materiale fi no a raggiungere il livello nanomet-rico.

Cosa sono le Nanotecnologie?

Sono le tecniche utilizzate per produrre o manipolare oggetti con dimensioni da 0,1 a 100 nanometri. Qui a destra si può vedere il loro rapporto con oggetti più piccoli (atomi) o più grandi (dai virus ai capelli umani).

”

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Utilità per le aziendeLe aziende possono benefi ciare in molti modi delle nanotecnologie, in qualità di:

produttori: ricerca e produzione di soluzioni nanotech (solo grandi aziende sono in grado di farlo);utilizzatori di componenti nanotech nello sviluppo dei loro prodotti e processi produttivi (at-tualmente circa 100 aziende in tutto il Veneto, anche piccole);utilizzatori (spesso inconsapevoli) di prodotti nano-tech nel processo produttivo o nei servizi al cliente, grazie alle migliori prestazioni (ad esempio i dipin-tori che utilizzano vernici contenenti nanoparticelle).

VantaggiLe nanotecnologie permettono di migliorare i processi di produzione o di ottenere prodotti più resistenti, più leggeri, più duraturi o addirittura con proprietà nuove rispetto ai prodotti tradizionali. L’effi cienza della produzione può essere migliorata ad esempio dall’integrazione di tecnologie nano direttamente nel processo di fabbricazione di un oggetto (ad esempio rivestimento con fi lm sottili inserito direttamente nella catena di montaggio).

Salute e ambienteEssendo una tecnologia nuova bisogna studiarne i possibili effetti, in particolare delle nanopar-ticelle, sull’organismo umano. Se usate con criterio, però, le nanotecnologie possono appor-tare dei benefi ci anche all’ambiente, grazie a processi meno inquinanti e prodotti che usano meno risorse. Ad esempio nei trattamenti con plasma i consumi energetici sono molto bassi, quelli d’acqua trascurabili e l’impatto ambientale risulta praticamente nullo.

OpportunitàLe grandi aziende e gli istituti di ricerca, grazie alle ri-sorse e ai laboratori che hanno a disposizione, sono i soggetti che guidano il processo di sviluppo delle nanotecnologie.Esistono però opportunità anche per le piccole e medie imprese: ci sono alcuni enti che mettono a disposizione laboratori e ricercatori per lo sviluppo di soluzioni a problemi presentati da singole aziende, che possono essere risolti grazie ad applicazioni nanotecnologiche (per maggiori informazioni e contatti si veda a pag. 33).

Nanotecnologie per microaziende

Laboratori in affi tto Uno dei più importanti laboratori cui le aziende possono ricorrere per trovare soluzioni idonee è il NANOFAB (www.nanofab.it) di Veneto Nanotech. Nato nel 2005, ha servito fi no ad oggi 68 imprese (di cui 28 PMI), che hanno com-missionato lavori per un valore annuale pari a 2,8 milioni di Euro.

credit “Progetto KEEN Regions”

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Le possibili applicazioni concrete delle nanotecnologie sono svariate: strutture come fullereni e nanotubi possono essere utilizzate in moltissimi prodotti per renderli molto più leggeri

e resistenti, l’integrazione di nanoparticelle di SiO2 nei cementi da costruzione crea una mi-crostruttura più uniforme e compatta, migliore idrorepellenza, migliore assorbimento di cristalli di Ca(OH)2, che degradano il cemento.Polveri di ossidi di zolfo ottenute con ball milling (v. pag. 20) sono usate per la costruzione di batterie al litio ricaricabili, mentre gli os-sidi di titanio (TiO2), i fullereni e gli ossidi di zinco sono usati in cosmetici e creme solari, poiché assorbono gli UV e ren-dono le creme meno irritanti.Si sta studiando persino uno spray fo-tovoltaico che può es-sere spruzzato sul tetto per formare delle celle in grado di pro-durre energia elettrica e molte altre innovazioni sicuramente appari-ranno nei prossimi anni.

Esempi di applicazioni

La struttura del fullerene (del diametro pari a circa 10 atomi) è molto simile a quella di un pallone da calcio: gli

atomi di carbonio ai vertici la rendono molto stabile.

I nanotubi sono composti da atomi di carbonio; possono sostituire il silicio nei chip e sono 100 volte più resistenti dell’acciaio, ma 6 volte più leggeri.

Si presentano di seguito alcune applicazioni attualmente in fase di sviluppo o di prima realiz-zazione, divise per settore. La lista non è esaustiva, la ricerca continua a scoprire nuove strade e possibilità, ma si ritiene utile mostrare i diversi aspetti e vantaggi dell’utilizzo di queste nuove tecnologie in prodotti e servizi utili alle quotidiane attività umane.

credit Fotolia/Tyler Boyes

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MODIFICA DEI MATERIALI Polimeri, vernici, adesivi

Gli hard disk vengono realizzati disperdendo nanopolveri ceramiche in una matrice polimerica, per dissipare meglio il gran calore che si sviluppa durante il loro utilizzo

credit “Progetto KEEN Regions”

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I Nanopolimeri

La dispersione di particelle (chiamate “fi ller”) in una matrice di polimeri migliora le caratter-istiche di un composto: ad esempio silice e nerofumo (a cui si sta sostituendo ultimamente

un più ecologico biofi ller derivato dall’amido di mais) sono aggiunti nella struttura degli pneu-matici per diminuire l’usura e aumentare la durata delle gomme.Se poi si inseriscono delle nanoparticelle (nanofi ller), ne basta un quarto rispetto ai fi ller di di-mensioni normali e si ottengono molti vantaggi, ad esempio:

Incremento delle proprietà meccaniche (incremento resistenza al graffi o o alla trazione, leggerezza, fl essibilità e assorbimento urti per

applicazioni nel campo sportivo o dell’automotive)

Proprietà funzionali avanzate (incremento dell’aderenza e della stampabilità delle poliolefi ne, antibatterico, biopolimeri)

Incremento barriera ai gas (modifi ca del packaging polimerico per prodotti alimentari)

Incremento stabilità termica e antifi amma (rivestimenti di parti a contatto con fonti di calore, ad esempio nei motori)

I contenitori per alimenti con nano-particelle d’argento nella matrice polimerica ostacolano il formarsi di muffa.

Il “Self Reinforced Poly Propilene” (SrPP) è un polimero di nuova gene-

razione: leggerissimo ed economico, è facilmente riciclabile ed è 6 volte

più resistente del convenzionale po-lipropilene. Per questo sarà sempre

più usato nelle automobili.

Cos’è un polimero?I polimeri esistono normalmente in natura, sono semplicemente delle catene di molecole che si ripetono. L’uomo ha im-parato a co-struirne in la-boratorio (i più famosi sono le plastiche).

Nano-schermi ultrapiattiUna nuova tecnologia sta prendendo piede per la vi-sione delle immagini: nel futuro saranno sempre più diffuse le televisioni a OLED. Gli OLED (Organic Light Emitting Diode) si ottengono sovrapponendo più strati di fi lm sottili di polimeri condut-tori (per uno spessore tota-le di 500 nm al massimo). Si possono così costruire schermi sottilissimi, fl essibili e compatti, che permet-tono una visione eccellente consumando pochissi-ma energia.

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Vernici mangiasmogSono state sviluppate vernici nano in grado di assorbire fi no al 23% dell’ossido di azoto prodotto dai gas di scarico delle automo-bili. Nanoparticelle di biossido di titanio e carbonato di calcio del diametro di 30μm permettono la “fotocatalisi”: luce e aria attivano l’ossidazione e la conseguente decomposizione di sostanze in-quinanti e tossiche (come il fa-moso PM10) in sostanze innocue come il calcare.

Le vernici nanocomposite

Le nanopolveri disperse all’interno di vernici ne migliorano le proprietà: ad esempio le nanoparticelle di silossano nelle vernici acriliche le rendono fi no a 10 volte più resistenti ai

graffi e all’usura. Sono inoltre applicabili su molte superfi ci (legno, carta, plastica e metallo) e assorbono i raggi UV. Infi ne rendono la superfi cie su cui sono stese più stabile, duratura e persino resistente alla fi amma. Nanoparticelle di biossido di titanio od ossido di zinco, insieme all’argento, permettono invece di creare vernici resistenti ad attacchi di muffe, funghi e batteri; ricercatori della Phillips University di Marburg (Germania) hanno scoperto che queste vernici possono rendere inattivo persino il virus responsabile della temibile SARS (Sindrome Acuta Res-piratoria Severa).

La vernice trasparente nanostrutturata (a destra) permette di resistere meglio ai danni esterni rispetto a una vernice convenzionale (a sinistra). Può essere una vernice permanente oppure un prodotto da applicare temporaneamente.

Vernici speciali contenenti nanoparticelle ceramiche o nanotubi di carbonio sono usate per le automobili: oltre ad avere una

maggiore brillantezza, resistono meglio a graffi e usura.

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Un’applicazione importante delle nanotecnologie sono colle e adesivi. La miniaturizzazi-one delle strutture di queste sostanze permette di avere particelle molto piccole con una

grande superfi cie di contatto rispetto al loro volume, garantendo così una maggiore capacità di aderire ad una superfi cie e di fi ssare tra loro due materiali.

Ricercatori dell’Università di Manchester hanno realizzato un potentissimo ad-esivo, copiato dalle microstrutture delle zampe del geco, un rettile capace di camminare su muri verticali, anche molto lisci. Le sue zampe sono dot-ate di milioni di minuscoli pedicelli, in grado di legarsi a qualsiasi superfi cie grazie a legami tra le molecole. Se ap-plicato su un guanto, questo “adesivo geco” permetterebbe alla persona che lo indossa di rimanere sospeso al sof-fi tto con una mano.

Copiando a livello nano la struttura del velcro, gli scienziati sono riusciti a crearne uno molto più leggero e re-sistente: è composto da nanotubi di carbonio, fatti crescere verticalmente su una superfi cie e con un uncino all’estremità libera. I singoli uncini di due superfi ci si legano tra loro e questa forza moltiplicata per milioni di nanotubi rende l’adesione estre-mamente potente, fi no a 3000 volte quella del velcro tradizionale e con un potere incollante 30 volte supe-riore rispetto ai convenzionali adesivi epossidici.

Gli adesivi

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LA CONSERVAZIONE DEGLI ALIMENTI

Packaging ed etichette

Da etichette più complete al controllo costante dell’atmosfera all’interno della confezione, le nanotecnologie forniscono un valido aiuto alla corretta conservazione del cibo.

credit Fotolia/al62

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Confezioni “intelligenti”

Le nanotecnologie ci aiutano a conservare gli alimenti nel migliore dei modi e a controllare il loro stato. Come si è visto nel precedente capitolo le nanoparticelle di argento in un polimero

che contiene alimenti preservano la confezione dalle muffe. Molto di più può essere fatto grazie alle nanotecnologie, ad esempio si parla di: Active packaging = miglioramento delle proprietà estetiche dell’imballaggio, maggiore

protezione meccanica, migliore risposta a radiazioni elettromagnetiche, comunicazione delle caratteristiche del prodotto

Intelligent Packaging = capacità di registrare l’invecchiamento, la contaminazione e le al-terazioni del contenuto con sensori molecolari

Inchiostri nanostrutturati = si possono stampare sulla confezione molte più informazioni rispetto agli attuali codici a barre, come l’intera fi liera del prodotto, indicatori di prezzo e di stato di conservazione dell’alimento, leggibili con speciali lettori.

Molte altre possibilità si stanno sviluppando per permettere un confezionamento dei prodotti, in particolare alimentari, per fornire al cliente non solo la massima protezione ma anche la massima garanzia riguardo a origini, freschezza e stato di conservazione del prodotto. Si parla già anche di microchip e display incorporati nelle confezioni per trasmettere ogni tipo di informazioni.

Indicatori intelligenti di temperatura e fre-schezza possono segnalare lo stato del prodotto. Può essere notifi cato anche un cambiamento della composizione dell’at-mosfera nella confezione a causa di un

danneggiamento. Gli indicatori possono addirittura rilasciare dosi di conservanti in casi di deterioramento registrato con bio-sensori (electronic tongue) tramite “biointer-ruttori” ottenuti grazie alle nanotecnologie.

Gli imballaggi “intelligenti” possono cambiare colore a seconda delle ca-

ratteristiche del prodotto, ad esempio se la plastica si colora di blu vuol dire

che la confezione è danneggiata.

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Etichette parlanti

Gli RFID (Radio Frequency Identifi cation) Tags sono circuiti integrati di dimensioni micromet-riche (10-6m) incorporati in supporto polimerico e dotati di circuito di trasmissione radio,

così piccoli che possono essere inglobati nel prodotto (ad esempio nella carta o nei gioielli) e immagazzinare molte informazioni (come i microchip degli animali).

Etichetta elettronica: con le nuove tecnologie può essere ridotta a dimensioni inferiori alla capocchia di uno spillo e contenere molte più informazioni di una normale etichetta stampata

Grazie ai Tags RFID l’etichetta con tutte le informazioni può comparire

direttamente sul cellulare

Le Nanobarcode particles (NBCs), o codici a barre nano, sono formate da microscopiche strisce metalliche di argento e oro alternate, differenti per larghezza e composizione

Le SENSER Tags sfruttano nanopar-ticelle di 25-50 nm, che formano un nucleo metallico, circondato da uno strato di diverse molecole attive nel

cosiddetto spettro Raman (reagiscono a fasci di luce fornendo dati nello

spettro luminoso) e da un guscio di vetro.

Birra fresca più a lungo!

Speciali cristalli prodotti dalla ditta Nanocor inseriti nella plastica delle bottiglie per la birra, ne prolungano la conservazione fi no a 18 mesi, garantendo l’integrità dell’aroma. Le bottiglie sono più leggere, di conseguenza il trasporto è meno costoso e meno in-quinante.

credit http://www.nanocor.com/

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Polimeri biodegradabili

Il grande problema generato dai rifi uti di plastica, che non si degradano nell’ambiente in tempi adeguati ed emettono

sostanze inquinanti, ha reso necessario cercare alternative più sostenibili. Sono nati così i biopolimeri, usati soprattutto per l’imballaggio dei cibi, in primo luogo l’amido di mais. Questo presenta però dei problemi: resiste poco all’umidità e si rompe facilmente. Sono quindi intervenute le nanotec-nologie: inserendo delle nanoparticelle di montmorillonite (un’argilla) nella matrice di amido di mais si risolvono entrambi i problemi, mantenendo il polimero totalmente biodegradabile, oltre che più leggero e più resistente alle alte temperature rispetto alle classiche pellicole trasparenti.

Un bel fi lm!La produzione di fi lm (intesi come pellicole di materiale) viene infl uenzata molto positivamente dalle nanotecnologie. Queste permettono di migliorare la fi lmabilità (= proprietà di un mate-riale di essere trasformato in pellicola-fi lm) di molti materiali e quindi di sviluppare pellicole innovative, ad esempio commestibili o biodegradabili. Queste avranno un costo più basso di quelle esistenti e buone proprietà meccaniche e di adesione. Inserendo sostanze a base di fl uoro (sempre a livello nano) diventano ottimi protettivi (utili nell’industria tessile e cartaria, nell’elettronica, per i beni culturali) con elevata oleo e idrorepellenza, resitenza ai raggi UV, a sollecitazioni termiche e attacchi chimici.

Computer di nanoplastica

I fi lm sottili nanocompositi (che arrivano a poche decine di nanometri di spes-sore) stanno prendendo piede anche nell’elettronica: il System On Package (SOP) permette di sostituire il rame con materiali nanocompositi più idonei a trasmettere diversi tipi di informazioni (audio, video, comunicazione), otte-nendo così chip più piccoli e veloci.

Un fi lm derivato dalla proteina zeina ritarda di 6 giorni la perdita di colore, consistenza e peso dei pomodori, rispetto a quelli non ricoperti.

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LA PROTEZIONE DELLE SUPERFICITrattamenti superfi ciali

nanostrutturati

Trattamenti a base di prodotti derivati da nanotecnologie permettono una migliore resistenza e una maggiore durata delle superfi ci soggette a usura o a stress da contatto con acqua, agenti chimici o batteri.

Fotolia/Dinadesign

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Le Super-superfi ci

La realizzazione di rivestimenti nanostrutturati con proprietà chimico-fi siche e tribologiche po-

tenziate, permette di migliorare molte caratteris-tiche dei materiali su cui sono applicati. Si elen-cano qui sotto solo alcune di queste proprietà:

• Antiusura e antigraffi o (accessori, lenti per oc-chiali, vetri, componenti in plastica, componenti meccanici, ecc.)

• Anticorrosione (componenti meccanici metallici, utensili, superfi ci esposte ad agenti at-mosferici, serramenti ecc.)

• Lubrifi canti solidi (componenti meccanici in applicazioni ad alta velocità: valvole, alberi, cuscinetti, turbine, ecc.)

• Autopulenti (rivestimenti per superfi ci vetrose, lunotti e parabrezza ecc.)• Antirifl esso (rivestimenti per lenti, vetri, barriere termiche ecc.)• Durezza (rivestimenti per applicazioni meccaniche: stampi, utensili, lame, punte e pun-

zoni, ecc.)• Estetiche e decorative (aspetto, colorazione, luminosità, brillantezza, ecc.)• Elettro/foto/termo cromici (rivestimenti per lenti, vetri per aerei, decorazioni luminose,

sensori di temperatura, che cambia colore quando raggiungono una certa temperatura)• Metalli preziosi (rivestimenti per bigiotteria, gioielleria, posateria, sensori di gas e sos-

tanze tossiche)• Polimerici (per impermeabilizzazioni, protezioni da agenti chimici aggressivi, trattamenti

antiaderenti)

Cos’è la tribologia?

È la scienza che studia le proprietà di attrito e usura delle superfi ci a con-tatto (tribos in greco signifi ca “sfi oramento”) e le migliori soluzioni per la lubrifi cazione. La nanotribologia si occupa della scala nanometrica, che presenta problemi diversi e più complessi.

Polimero visto al mi-croscopio: in alto è evi-

dente la struttura con proprietà di barriera

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Esistono diverse tecniche che consentono di depositare uno strato di spessore nanometrico, di solito metallico o ceramico, su diversi materiali, o addirittura di sovrapporre più strati

nanometrici composti da materiali differenti:

deposizione di vapori o tramite reagenti chimici, che si condensano sulla superfi cie per formare un rivestimento continuo;

tecniche al plasma: una scarica elettrica attraversa un gas sotto vuoto e genera un plas-ma che deposita un sottile strato di materia sulla superfi cie da trattare; le proprietà di ogni strato possono essere modifi cate variando le caratteristiche del plasma;

Thermal Spray Coating: immissione di una miscela di polveri in una miscela di gas ioniz-zati ad elevata temperatura; i granuli di polvere vengono accelerati fi no a una velocità di 400 m/s e spruzzati sul substrato da ricoprire;

Sol-gel è la transizione di una soluzione liquida colloidale (sol) di sali metallici o composti metallo-organici in un gel, che viene poi depositato ed essiccato sulla superfi cie; si for-mano fi lm ultrasottili di materiali ceramici e vetrosi per ricoprimenti di diverse superfi ci.

Cos’è il plasma?

È un gas ionizzato, composto da elettroni e ioni non legati tra loro. Viene defi nito “il quarto sta-to della materia”, poiché ha proprietà diverse da solidi, liquidi e gas.

Cristallo di un’auto con comportamento idrofobico autopulente grazie ad un rivestimento nano. Le gocce non aderiscono alla superfi cie e la pulizia tramite tergicristallo è molto facilitata (la metà sinistra del cristallo è stata trattata).

Macchina per i trattamenti col plasma PECVD

Superfi cie in acciaio inossidabile ricoperta da una pellicola resistente all’abrasione tramite sol-gel (in basso); non

vengono lasciati aloni dopo la pulizia.

Tecniche di copertura

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Più resistente della pietraCorrosione chimica da inquinanti, fratture da escursione termica, cristallizzazione di soluzioni saline, comparsa di infi ltrazioni di umidità, muschi e alghe: i materiali lapidei sono sottoposti a con-tinui stress che ne minacciano la pur proverbiale resistenza. Le nanotecnologie possono intervenire in aiuto di marmi, cementi e pietre naturali, proteggendoli dagli agenti esterni e dall’accumulo di sporco.Si applicano ad esempio rivestimenti con effetto autopulente (le gocce di pioggia scivolano e portano via lo sporco), ma che non impediscono la traspirazione (come il prodotto Nanoprotect CS®, prodotto da Nanotec Ltd).

Nuovi amici per la pelleImmagine al microscopio a scansione molecolare di cro-sta nappa naturale (a sinistra) e dopo aver subito trattamenti al plasma (a destra), si nota la superfi cie più omogenea, che risulta totalmente impermea-bile all’acqua e più resistente alla decolorazione per strofi namento, importante soprattutto per i pellami più delicati, come gli scamosciati.

Proteggere il legnoIl legno è uno dei materiali più usati, dalle costruzioni all’arredamento. I trattamenti introdotti dalle nanotecnologie ne possono allungare di molto la durata e la stabilità, ad esempio con-

tro l’attacco di muffe, insetti, fuoco e sbalzi termici. Si tratta inoltre di trattamenti atossici e non inquinanti, a differenza di quelli attualmente disponibili.Il prodotto Nanotec®, prodotto dalla Nanophase Technologies, spruzzato sul legno lo difende a lungo da parassiti e batteri, grazie a nanopolveri di ossido di rame e di zinco, capaci di penetrare la struttura po-rosa del legno.Il rivestimento AMP® (prodotto da ANC Ltd) ritarda il propagarsi delle fi amme, creando un fi lm sottile che

sprigiona acqua e gas ignifughi in caso d’incendio, di-minuendo anche la formazione di fumo.

Effetto superidrofobico ed auto-pulente grazie al rivestimento di

una superfi cie in pietra

Superfi cie lignea resa idrofobica attraverso de-posizione di fi lm sottile tramite plasma: con un trattamento di 10 minuti il legno diventa total-mente idrorepellente

Soluzioni per tutti i materiali

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MIGLIORAMENTO DEI METALLIMetalli nanostrutturati

e leghe metalliche

Utensili di metallo ricoperti da fi lm sottili di nitruro di titanio (TiN) o di cromo (CrN) tramite trattamenti al plasma aumentano di molto la propria resistenza e hanno una vita utile fi no a tre volte superiore rispetto a metalli non trattati.

credit: Fotolia / Les Cunliffe

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Supermetalli

Attraverso le nanotecnologie si possono migliorare alcune

proprietà dei metalli, in particolare delle leghe metalliche, controllan-done la composizione e la strut-tura a scala atomico-molecolare. Si agisce sulle proprietà mecca-niche (resistenza, elasticità, duttilità) e sulle caratteristiche funzionali (resistenza alla corrosione, proprietà elettriche e magnetiche, ecc.). Si ottengono così metalli compatti e leggeri, resistenti al calore e all’usura: talmente ef-fi cienti da essere chiamati super metalli.

Come si producono le nanopolveri?Si producono con metodologie top-down,

macinando polveri metalliche più grandi (ball milling): con questa tecnica si ottengono leghe, ad esempio quelle a base di alluminio o titanio, usate nella componentistica aerospa-ziale o in articoli sportivi. Altrimenti si possono usare le tecniche bottom-up: per evaporazione termica, bombardamento di particelle (sputter-ing), tecniche chimiche, metodi laser (si spara un raggio laser su un gas o un solido, creando dei nuclei intorno ai quali si formano le polveri, modifi cando la miscela di gas e altri parametri si possono controllare composizione e dimensioni delle nanopolveri).

Le nanopolveri metalliche sono impiegate come materiale di partenza per ottenere metalli e leghe con caratteristiche par-ticolari, ma anche disperse in soluzioni e matrici per rendere più resistenti altri materiali.

credit http://www.nanocor.com/

Macchinario per pirolisi laser di agenti gassosi

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PULIZIA E RESISTENZATrattamento di vetri e ceramiche

Per diminuire la manutenzione di grandi superfi ci in vetro, queste si possono rendere autopulenti grazie a soluzioni nanotec-nologiche. Anche proprietà come l’isolamento termico e la resistenza ai graffi possono essere migliorate.

credit: Fotolia/Scanrail

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Ricoprimenti tuttofare

Le nanotecnologie applicate a vetri e ceramiche includono trattamenti superfi ciali, creazione di nanostrutture e dispersione di nanoparticelle nella matrice per migliorarne le caratteris-

tiche.Il ricoprimento della superfi cie vetrosa, ad esempio con fi lm sottili, permette di aumentare la resistenza, ma anche altre proprietà:

antirifl esso (lenti di telecamere, macchine fotografi che, occhiali)

isolamento termico (fi nestre, caminetti, stufe)

antigraffi o (cristalli delle automobili, lenti degli occhiali)

antibatteriche (contenitori per alimenti o usati in medicina o in laboratori di analisi)

antigraffi ti (cristalli dei mezzi pubblici, vetrine)

anti appannamento (lenti degli occhiali, specchi di bagni e piscine)

antighiaccio (cristalli di automobili e aerei)

La chiesa Dives in Misericor-dia, a Roma, è stata costruita con uno speciale calcestruzzo di Italcementi (a marchio TX Active ®) ad azione fotocata-litica: grazie alle proprietà di autopulizia della superfi cie, mantiene inalterate nel tem-po le qualità estetiche degli edifi ci.

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Vetri autopulenti

Si usano sempre più spesso ricoprimenti a base di nanoparticelle di diossido di titanio (TiO2), che rompono i legami chimici dei materiali organici che si depositano sulla superfi cie. In

questo modo viene facilitata la rimozione dello sporco, ad esempio da parte di vento e piog-gia che portano via le particelle depositate, le quali non riescono ad aderire alla superfi cie. Queste superfi ci si asciugano anche più velocemente, perche l’acqua forma uno strato molto sottile e scivola via in fretta, senza formare legami con il materiale rivestito. Tali proprietà sono state riprese dalla natura, in particolare dalla pianta del loto, che si mantiene continuamente asciutta e pulita grazie alla microstruttura della superfi cie fogliare.

Il loto, pianta acquatica famosa per il suo splen-dido fi ore, presenta delle minuscole protuberanze sulla superfi cie delle foglie, che ne aumentano la rugosità e impediscono alle gocce d’acqua di aderire. L’acqua scivola via dalle foglie e trascina con sé le particelle di sporco, lasciando la superfi cie libera e pulita, pronta ad accogliere tutta la luce solare per la fotosintesi

Schema del comportamento superidrofobico autopulente, che imita l’effetto loto su super-fi ci artifi ciali, grazie a ricoprimenti nanotecnologici. Tale tecnologia può essere applicata a superfi ci di vetro, come ad esempio i box doccia o le vetrate degli edifi ci, in modo da man-tenerle sempre pulite e senza aloni o depositi di calcare, ma anche ai pannelli fotovoltaici per migliorarne l’effi cienza grazie all’eliminazione dello sporco.

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Applicazioni

Le possibili applicazioni di queste tecnologie sono numerose: una delle più importan-ti è la possibilità di produrre protesi con vetri speciali, che creano legami con le cellule

dell’organismo, senza essere rigettati come materiali estranei, grazie al ricoprimento della superfi cie con strati inerti e asettici (biocompatibilità).

Specchio, a destra parte trattata con fi lm sottile con proprietà anti appannamento

I ricoprimenti ceramici su substrati metallici combinano la resistenza a usura e corrosione dei materiali ceramici con la duttilità e la tenacità tipiche dei metalli.Il DLC (Diamond Like Carbon) viene usato per parti meccaniche in movimento che devono resist-ere all’usura e avere un basso fattore di frizione, come alberi di trasmissione dei motori, com-ponenti aeronautiche, pompe idrauliche e punte degli utensili o lame dei coltelli da cucina.Ricoprimenti in SiOx (ossidi di silicio) conferiscono proprietà anticorrosive, antigraffi o o anal-lergiche. Evitano l’ingiallimento e l’iridescenza di componenti a contatto con le fi amme (quali bruciatori e griglie).

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TESSUTI IPERTECNOLOGICINanofi bre e rivestimenti

Qualunque tessuto può essere reso superidrofobico coprendolo con un rivestimento nanotech, che può essere distribuito anche attraverso una bomboletta spray.

credit: Fotolia/Guido Vrola

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Fibre nano

Si riescono ad ottenere fi bre di polimeri sottilissime (da 10 nanometri ad alcuni micron) ma abbastanza robuste per essere utilizzate. Il procedimento si chiama elettrofi latura (elec-

trospinning in inglese): una siringa del diametro inferiore al millimetro lancia un getto di ma-teriale polimerico carico elettricamente attraverso un campo magnetico, che lo allunga e lo solidifi ca.Le applicazioni tecnologiche sono numerose: dai fi ltri protettivi (contro polveri, batteri, virus e agenti inquinanti) a membrane, da materiali per protesi a tessuti per l’abbigliamento tecnico.

Le fi bre di Nanoceram ® sono fi bre di allumina (AlOOH) create dall’azienda americana Argo-nide. Hanno le dimensioni di una molecola di DNA, con diametro di circa 2 nanometri. Sono eccellenti chemioassorbenti di metalli pesanti (mercurio, piombo, cadmio, uranio, ecc.) e pos-sono quindi essere usate in fi ltri e catalizzatori. Grazie alle dimensioni ridottissime, queste fi bre possono intercettare microparticelle di metalli pesanti, che se rilasciate in atmosfera potreb-bero essere molto pericolose per l’uomo.

Fibre di Nanoceram® Filtri a cartuccia plissettati, contenenti Nanoceram®

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Tessuti e indumenti interattiviLa miniaturizzazione sempre più spinta dei dispositivi elettronici permette di inserirli anche negli indumenti, senza diminuirne comfort, eleganza e vestibilità. Il giubbotto interattivo qui sotto presentato ha molte applicazioni derivate dalle nanotecnologie; permette di ascoltare musica e telefonare, ma riesce anche a mantenere costante la temperatura corporea. Al suo interno contiene:- antenne per trasferimento dati- unità di controllo digitali- fonti di alimentazione di energia: batterie, celle solari, generatori termici- rivestimenti protettivi interni ed esterni- microfoni, auricolari, segnalatori ottici (led), elementi riscaldanti, refrigeranti, climatizzanti- sensori di temperatura, gas, pressione, umidità- interfacce uomo/macchina come attuatori a pressione, piccole tastiere, display

Energia dalle magliette

Convertitori elettromagnetici o piezoelettrici pos-sono essere inseriti in un maglietta grazie alle nanotecnologie, fornendo energia elettrica gra-zie al movimento e al calore del corpo.

L’insieme delle tecnologie più all’avanguardia, comprese le nanotecnologie, porta alla real-izzazione di interessanti applicazioni, come il giubbotto interattivo.

Inserimento di circuiti microelettronici nel tes-suto intelligente

Il pavimento intelligente (ricoperto da un tessuto, ad esempio moquette, con microcircuiti elettronici) può sentire una caduta e chiamare i soccorsi in caso di malore, se la persona non si rialza in tempi brevi

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Rivestimenti

Attraverso trattamenti al plasma si possono inserire nanoparticelle tra le fi bre dei tessuti, o depositare un fi lm sulla loro superfi cie. Si ottengono così tessuti con proprietà anti-in-

feltrenti, idrorepellenti, antistatiche, antimacchia e antipiega, antibatterici e metallizzati, senza alterare la morbidezza e la comodità degli indumenti. Il tessuto trattato resiste a qualunque tipo di sporco e dura molto più tempo senza rovinarsi.

Normale tessuto reso superidrofobico grazie a rivestimenti nanotech. Non solo il tessuto non si bagna, ma è anche re-

sistente all’umidità (può traspirare) e resiste quindi alle muffe.

Maggiore resistenza all’usura in un tessuto di fi bre di vetro grazie a ricoprimenti superfi ciali: il campione di sinistra, non trattato, ha resistito a meno di 100 cicli di test,mentre il campi-one trattato resiste a oltre 10.000 cicli d’usura

La tecnica di rivestimento nanotecnologico si adatta a qualunque tipo di tessuto, rendendolo totalmente refrattario allo sporco

Tessuti sottoposti a trattamenti ricoprimenti superfi ciali (a sinistra) diventano superidrofobici: un liquido scorre sulla superfi cie senza bagnare

il tessuto

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LE FRONTIERE DELL’INFORMATICAMicro e Nano elettronica

La nanoelettronica permetterà di superare i limiti ora imposti dalle dimensioni fi siche dei chip e aprirà nuove possibilità verso prodotti di dimensioni limitate ma dalle molteplici funzioni

credit: Fotolia/Pitzalis Fabio

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Minuscoli ma più potenti

I computer sono sempre più potenti, i microprocessori aumentano velocità e performance in modo esponenziale, pur essendo di dimensioni sempre minori. Eppure la miniaturizzazione

ha portato i componenti informatici a un limite minimo, è diffi cile ridurre ancora le dimensioni senza risolvere alcuni problemi come il surriscaldamento dei circuiti o la diffi coltà di saldare i contatti di chip sempre più piccoli.Sarà quindi fondamentale usare le nanotecnologie per pro-gredire nella miniaturizzazione dei chip, ad esempio usando i nanotubi o la capacità di alcune molecole di autoassem-blarsi per formare i circuiti desiderati.Nuovi orizzonti vengono aperti da queste nuove tecnologie, già si parla di oggetti tecnologici come macchine fotogra-fi che o telefoni cellulari usa e getta, fatti di “carta intelligente”, quindi poco costosi da produrre e non inquinanti. Wafer in tecnologia a 90nm

Si illustrano qui a lato vantaggi e problemi delle diverse nano-

tecnologie allo stato attuale. Molto probabil-mente numerosi prob-lemi verranno risolti in

futuro, permettendo a nuove invenzioni di

prendere forma.

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Un settore in pieno sviluppo della elettronica d’avanguardia sono i MEMS (Micro Electro Me-chanical Systems): dispositivi di grandezza micrometrica in grado di rilevare le grandezze fi siche presenti nell’ambiente circostante, come temperatura, umidità, sostanze chimiche e reagire di conseguenza. Ora la nanotecnologia ha creato i NEMS (Nano Electro Mechanical Systems), con le stesse funzioni, ma di dimensioni nanometriche.Hanno l’aspetto di un normale chip, ma oltre ai circuiti elettronici contengono anche parti in movimento, componenti ottiche, componenti chimiche ed elettriche. Sono le più piccole mac-chine mai costruite dall’uomo!Vengono utilizzati negli airbag, nei sistemi ABS, negli antifurti, ma anche come sensori: di pressione degli pneumatici, di sbandamento, di rollio, di vibrazione. Sono il cuore degli stabi-lizzatori per telecamere e macchine fotografi che.Esistono anche i sensori ottici (MOEMS = Micro Optical Electro Mechanical Systems), usati ad esempio nei display dei cellulari, nei videogame portatili e nelle telecomunicazioni.

Applicazioni che utilizzano MEMS, in senso orario partendo in alto a sinistra: 1-microspecchi ultrarigidi, 2-microdisplay, 3-microspeakers, 4-sensori di pressione negli pneumatici

Veloci e affi dabili

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Una nuova generazione di batterie potrà nascere grazie alle nanotecnologie: ad esempio si può migliorarne l’effi cienza trattando il catodo con un gel polimerico in cui sono inserite

nanoparticelle di litio. Si può allungare la vita utile delle batterie depositando strati di spes-sore nanometrico sul catodo (polimero alternato a MnO2, o nanotubi in carbonio) o sull’anodo (fullereni o nanotubi).In laboratorio si sono già costruite batterie con densità di energia quattro volte superiore e po-tenza specifi ca quasi 6 volte maggiore rispetto ai migliori prodotti attualmente in commercio.Microbatterie da inserire in più punti dei dispositivi da alimentare possono permettere di rag-giungere una maggiore effi cienza nell’utilizzo dell’energia. Una pila ricaricabile minuscola e leggerissima, ma molto potente, posta all’interno di un piccolo pannello fotovoltaico, permette di avere energia sempre disponibile, ad esempio per un telefono cellulare, ma anche per nuovi dispositivi come i minuscoli sensori e laboratori nanotecnologici descritti qui sotto.

Microfl uidica

Si chiamano “sensori micro-fl uidici”: servono per il tratta-mento dei fl uidi (ad esempio in pompe, valvole idrauliche, stampanti a getto d’inchiostro) con volumi della scala del na-nolitro. Vengono molto usati in medicina, per fl uidi come sangue, soluzioni di protei-ne e anticorpi, sospensioni di batteri, ma anche per analisi del DNA o dosaggi di medicinali da somministrare in bassissime quantità.

Laboratori in un Chip

La ricerca ha permesso di sviluppare dei chip microfl uidici, che permettono di analizzare dei fl uidi (sangue, ma anche riconoscimen-to automatico di precise sequenze di DNA), chiamati “Lab on a Chip”. Consentono di ef-fettuare analisi cliniche in qualsiasi luogo, grazie a microtubi che trasportano i fl uidi da analizzare in aree dove avvengono le reazio-ni chimiche, monitorate da sensori miniaturiz-zati. I risultati delle analisi vengono elaborati dal chip e inviati allo schermo dove vengono visualizzati.

Dispositivo microfl uidico

Esempio di Lab on Chip Af-fi metrix GeneChip®. Immagine

cortesia di Affi metrix.

Una carica in più

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Un nano che diventerà un gigante

Le nanotecnologie sono forse ancora un campo diffi cile da comprendere ed esplorare per la maggior parte delle persone, ma sono una realtà che sta sempre più prendendo piede

in numerose applicazioni, quindi è giusto informarsi e considerarne vantaggi, opportunità e anche limiti.L’obiettivo di questa pubblicazione non è quello di fornire dati scientifi ci o promuovere deter-minati prodotti, ma semplicemente di invitare gli imprenditori a scoprire un mondo che sta venendo avanti e che può presentare nuove opportunità. Sarà poi compito degli imprenditori interessati operare per defi nire possibili sviluppi che le nanotecnologie possono apportare nelle loro imprese, cercando i giusti contatti e le informazioni più dettagliate nei molti lavori pubblicati e siti internet dedicati a questo soggetto.Il progetto europeo KEEN Regions (http://www.keen-regions.eu) mette ad esempio a dispo-sizione una piattaforma internet che permette di trovare i contatti di ricercatori e imprenditori coinvolti nel settore delle nanotecnologie e soprattutto di trovare i centri di ricerca adatti a fornire supporto.

KEEN Regions nei suoi tre anni di attività ha riunito tre distretti di nanotecnologia a livello euro-peo per sviluppare collaborazioni stabili e migliorare lo scambio di conoscenze tra i principali attori nel campo della ricerca sulle nanotecnologie in Europa. Con l’obiettivo fi nale di aiutare l’umanità a fare un altro passo avanti verso il futuro.

Sito internet del progetto KEEN Regions

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Veneto Innovazionecoordinator

www.venetoinnovazione.it

Regione del Veneto

www.regione.veneto.it

Sociedad para la transformación

competitivawww.spri.es

www.nanobasque.eu

Commissariat à l’énergie atomique

et aux énergies alternatives

www.cea.fr

Fundaciòn CIDETEC

www.cidetec.es

Centro de Investigaciòn

Cooperativaen Nanociencias - CIC nanoGUNE

www.nanogune.eu

Veneto Nanotech

www.venetonanotech.it

Asociación de Industrias de las

Tecnologías Electrónicas

y de la Información del País Vasco

– GAIAwww.gaia.es

MinalogicPartenaires

www.minalogic.com

Centro Regionale di Assistenza per la Cooperazione

Artigiana

www.craca.it

Partner

Il progetto KEEN Regions è guidato da Veneto Innovazione e vede come partner altri 10 sog-getti provenienti dalle regioni Veneto (Italia), Rhone-Alps (Francia) e Paesi Baschi (Spagna). Il

partenariato comprende centri di ricerca (grandi distretti di nanotecnologie), enti istituzionali (governi locali) e rappresentanti delle piccole e medie imprese (associazioni di categoria) di queste tre aree europee. Oltre al capofi la Veneto Innovazione, gli altri partner italiani sono la Regione Veneto, il distretto per le nanotecnologie Veneto Nanotech e il CRACA.

Ville de Grenoble

www.grenoble.fr

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Le informazioni e le immagini (ove non diversamente indicato) sono liberamente riprese e adattate da “I Quaderni delle Nanotecnologie” editi da Veneto Nanotech. Gli otto quaderni possono essere richiesti gratuitamente dal sito http://www.venetonanotech.it/it/formazione-divulgazione/quader-ni/,97Si ringrazia Veneto Nanotech per la disponibilità e la gentile concessione di informazioni e imma-gini.

Per maggiori informazioni sulla presente pubblicazione contattare CRACA Soc. Coop.:email: info@craca.ittelefono: 041-5096614

Liberatoria:La responsabilità per i contenuti, le informazioni e i punti di vista riportati nella presente pubblica-zione è degli autori. I contenuti non rifl ettono necessariamente il punto di vista della Commissione Europea, che non ne è in alcun modo responsabile.

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http://keen-regions.eu

Centro Regionale di Assistenza

per la Cooperazione Artigiana

www.craca.it