SETTIMANA DELLA SCIENZA DEI MATERIALI SETTIMANA DELLA SCIENZA DEI MATERIALI 03-07/11/2008 SINTESI DEGLI OPALI E LORO ANALISI AL MICROSCOPIO ELETTRONICO

SETTIMANA DELLA SCIENZA SETTIMANA DELLA SCIENZA DEI MATERIALIDEI MATERIALI

03-07/11/2008

SINTESI DEGLI OPALI E LORO ANALISI AL MICROSCOPIO ELETTRONICO A

SCANSIONE (SEM)

L. Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri

OPALIOPALIGemme naturali composte prevalentemente da sferette di silice (SiO2) del diametro di 200-

400nm strettamente impaccate in modo regolare.

Particolarità: se il minerale viene colpito da raggi luminosi, mostra riflessi cangianti. Questo è dovuto alla nanostruttura della

gemma che si comporta come un reticolo di diffrazione nei confronti della luce incidente.


Reticolo di diffrazioneSistema composto da molte fenditure vicine tra loro e a distanza costante che, se

attraversato dalla luce, causa una flessione. Durante l’esperienza ci è stato specificato uno dei modi di propagazione della luce, e cioè la diffrazione. Se si fa passare della

luce attraverso una fenditura e si riduce questa fessura, a differenza di quanto si possa pensare, l’immagine proiettata sullo schermo non si restringe proporzionalmente,

bensì si allarga e viene offuscata. Questo accade perché le onde luminose che colpiscono i bordi della fessura non proseguono in direzione rettilinea, ma invadono la

zona d’ombra e deviano di un angolo che dipende dalla lunghezza d’onda e dalle dimensioni dell’ostacolo. L’intensità della diffrazione nelle varie direzioni rispetto alla direzione originaria dell’onda incidente dipende dalla forma e dalle dimensioni delle particelle ma non dalla loro composizione o dalla natura della loro superficie. Se la

luce viene fatta passare attraverso molte fenditure vicine tra loro e a distanza costante, si ha una flessione della luce e il sistema composto da queste fessure si chiama RETICOLO DI DIFFRAZIONE (come nel caso degli opali). Anche le ali delle

farfalle sono strutturate secondo la stessa modalità e riflettono diversi colori. L’opale appare allora del colore che corrisponde alla lunghezza d’onda ( ʎ ) della luce diffratta

e alla dimensione delle sferette.


SCOPO DELLO STUDIOSCOPO DELLO STUDIO

Gli opali vengono studiati per le loro proprietà ottiche al fine di analizzare e approfondire le caratteristiche di un

materiale con la struttura inversa: l’opale inverso.Si tratta di creare un insieme di celle vuote circondate

da silice e studiare il loro comportamento nei confronti della luce incidente. Questa sostanza trova applicazione

nella sensoristica dei gas nocivi (utile per rilevarli attraverso la colorazione) e nella fotonica avanzata.

Quest’ultima è la branca dell’ottica che studia il modo di controllare la propagazione dei singoli fotoni che

compongono la luce. Poiché le strutture create sono una sorta di filtri per selezionare le diverse lunghezze d’onda, cambiando il diametro dei fori e scegliendo quali lunghezze d’onda filtrare, l’opale inverso può

avere come scopo quello di “guidare” la luce.


DESCRIZIONE DELL’ESPERIENZA:DESCRIZIONE DELL’ESPERIENZA:SINTESI DEGLI OPALISINTESI DEGLI OPALI

STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI:

• metacrilato di metile 99%• 0.06 g di attivatore• ampolla da 100 ml• ancoretta metallica• acqua distillata• piastra riscaldante• refrigeratore per l’acqua• bombola di azoto e flussimetro• cappa aspirante• cilindri graduati• vetrino di orologio• bilancia • pellicola parafilm• 2 provette di plastica e propipetta• centrifuga bombola di azoto


DUE FASI PRINCIPALI:DUE FASI PRINCIPALI:

1. Preparazione della sospensione del monomero (metacrilato di metile) e polimerizzazione a temperatura controllata;

2. Centrifugazione ed essicazione dell’opale;

1. Si versano 20ml di H2O distillata prima in un cilindro graduato e successivamente nell’ampolla; si mettono poi nell’ampolla 4,5 ml di metacrilato di metile (CH2CCH3COOCH3) che precedentemente era stato versato in un cilindro graduato coperto con il parafilm. Intanto viene aperta la bombola di azoto affinché questo dia inizio alla reazione e si accende la piastra riscaldante che porta la temperatura a 80°C. Infine si pesano 0,06g di attivatore utilizzando la bilancia e il vetrino di orologio e, raggiunta la temperatura, si versa l’attivatore all’interno dell’ampolla sciacquando il vetrino con un po’ di H2O per eliminare i residui.

La soluzione creata viene lasciata nell’ampolla per 40min alla temperatura di circa 80°C. Trascorso questo tempo si nota che i monomeri di metilmetacrilato si sono polimerizzati.


Polimerizzazione del metacrilato di metile


2. La soluzione ottenuta viene versata dall’ampolla in due provette di plastica in quantità uguale, queste saranno poi introdotte in una centrifuga e sottoposte a una velocità di 6000 giri al minuto per una durata di 20 minuti. Ciò viene fatto affinché si impacchino le sferette componenti gli opali. Esse sono in questo modo sottoposte a una forza che equivale a 3000 volte il loro peso e si muovono a una velocità di 180 km/h.


Si può già notare l’iridescenza rosa sul bordo dell’ampolla, tipica dell’opale

Provette inserite nella centrifuga


Dopo aver estratto le provette dalla centrifuga si preleva grazie ad una propipetta il liquido formatosi in ognuna di esse e, in seguito, si ripongono per altri dieci minuti nella centrifuga. Infine si versa il contenuto (in quantità minime) in un vetrino e si lascia asciugare per poi osservare la luce che viene diffratta e dedurre le dimensioni delle nanosfere che compongono gli opali prodotti, confrontando i valori con la seguente tabella (porzione dello spettro elettromagnetico del visibile):

ʎ - nm colore

750-630 Rosso

630-600 Arancio-rosso

600-590 Arancio

590-570 Giallo

570-550 Giallo-verde

550-510 Verde

510-480 Blu-verde

480-450 Blu

450-420 Blu-violetto

420-380 violetto


Il fascio di luce bianca che attraversa le sfere e gli interstizi che le separano viene diffratto, scomponendosi in tutti i colori dello spettro, che si rivelano ad ogni minima rotazione della pietra.Il colore dominante è dato dalle dimensioni delle microsfere: quelle più grandi danno il rosso che possiede maggiore lunghezza d’onda (630 -750nm), e decrescendo si arriva a quelle più piccole (450 - 480nm circa) che originano il blu.

Nel nostro caso la luce diffratta è di colore rosa, dunque il diametro delle sferette componenti gli opali risulta abbastanza grande e corrisponde a circa 630nm poiché la sua dimensione è paragonabile a quella della lunghezza d’onda della luce difratta.


Se il fascio luminoso colpisce gli opali appoggiati su uno sfondo nero la luce viene riflessa. Gli opali che per diffrazione generano luce rosa riflettono luce verde, mentre quelli che possiedono sferette di dimensioni minori riflettono luce blu.


Opali creati senza azoto Opali realizzati con azoto


INCIDENZA DELL’AZOTO SULL’ESPERIMENTOINCIDENZA DELL’AZOTO SULL’ESPERIMENTO

Sorprendente è il fatto di aver creato gli opali anche in assenza di azoto, iniziatore della reazione. Si sono svolte due esperienze

parallele. Abbiamo potuto notare come nonostante un gruppo, per problemi tecnici, non abbia usufruito dell’azoto, sia riuscito ad ottenere ugualmente il minerale, riscontrando alcune differenze

morfologiche.La dimensione delle sferette degli opali creati utilizzando l’azoto

come iniziatore della polimerizzazione è risultata maggiore rispetto a quella degli opali realizzati senza l’azoto.

Pertanto ne è perseguita una variazione nella diffrazione della luce. Nel primo caso l’opale tende ad una colorazione rossa; nel

secondo gialla.

Lazzarin - L. Novello - S. Zampieri

La polimerizzazione avviene in tre fasi:La polimerizzazione avviene in tre fasi:

1. Fase di iniziazione

2. Fase di propagazione

3. Fase di terminazione


Fase di iniziazioneFase di iniziazione

NH CH3 CH3 NH2 NH CH3

C C N N C C 2 C C N N

H2N NH H2N

CH3 CH3 CH3

2,2 diazo (2-metilpropionammide) cloridrato

NH CH3 CH3 NH CH3 CH3

C C + H2C C C C CH2 C

H2N H2N

CH3 C O CH3 COOCH3

O


Fase di propagazioneFase di propagazione

NH CH3 CH3 CH2

C C CH2 C + n H2C C

H2N

CH3 COOCH3 COOCH2

NH CH3 CH3 CH3

C C CH2 C CH2 C

H2N

CH3 COOCH 3 COOCH3

n


Fase di terminazioneFase di terminazione

NH CH3 CH3 CH3 NH CH3 CH3 NH2

2 C C CH2 C CH2 C C C CH2 C CH2 C

H2N H2N

CH3 COOCH 3 COOCH 3 CH3 COOCH 3 NH

NH CH3 CH3 CH3 CH3 NH2

C C CH2 C CH2 C + C C

H2N

CH3 COOCH 3 COOCH 3 CH3 HN

n NH CH3 CH3 NH2

C C CH2 C CH2 C

H2N

CH3 COOCH3 n NH

n n


Poiché l’opale è un minerale composto da silice idrata (SiO2·nH2O) e il suo contenuto di acqua può arrivare a essere del 20%, un riscaldamento di campioni di opale può causarne la disidratazione e, pertanto, la perdita dell’effetto di opalescenza. Una parziale reidratazione è ottenibile con prolungata immersione dei campioni danneggiati in acqua.

Frammenti di opali creati in laboratorio

Opali naturali


OSSERVAZIONE: OSSERVAZIONE: OPALIOPALI E E OPALI INVERSIOPALI INVERSI AL SEM AL SEM

Grazie all’osservazione al microscopio elettronico si può notare che gli opali appaiono sottoforma di sferette tutte uguali e strettamente impaccate, il cui diametro varia tra i 300nm e i 700nm. Gli opali inversi sono costituiti, invece, da uniformi spazi vuoti sferici circondati da pareti solide (simile alla conformazione del nido d’api).


Opale


Opale inverso


Microscopio Elettronico a Scansione (SEM)


http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/photonic/photonic16.html

Opali e... Coleotteri!Opali e... Coleotteri! Il Pachyrhynchus argus, coleottero che vive nelle foreste del Queensland nord-

orientale in Australia, produce una struttura cristallina fotonica analoga a quella dell'opale, che gli dona un colore metallico relativamente uniforme. Il colore deriva da scaglie piatte molto sottili che si formano sulla cima e sui lati del corpo dell'insetto. Le scaglie consistono in un guscio esterno e in una struttura interna, una griglia solida di nanosfere trasparenti organizzate in strati piatti secondo un preciso ordine esagonale. Questa struttura consente alla luce di rompersi e di venire riflessa nello stesso modo che si osserva negli opali. A differenza delle pietre preziose, però, l'opale del punteruolo è creato da “fabbriche chimiche” all'interno delle cellule, una tecnica che può essere copiata dai produttori di opali sintetici per facilitarne la realizzazione.


Questa esperienza si è rivelata molto utile e istruttiva. Abbiamo potuto usufruire di una vasta strumentazione che ci è stata

precedentemente presentata. Inoltre, siamo stati appagati dal fatto di essere riusciti autonomamente a sintetizzare degli

opali, nonostante l’insicurezza nell’ottenere il risultato sperato a causa dell‘assenza di azoto per motivi tecnici.

Grande interesse è stato dimostrato per il SEM (Microscopio Elettronico a Scansione) di cui abbiamo appreso il

funzionamento e le capacità sfruttandolo nell’osservazione dei campioni prodotti. Grazie a questo progetto ci è stata data

la possibilità di sperimentare direttamente nozioni teoriche ricevute a scuola, e di vivere un’esperienza in laboratorio,

utile anche a chiarire le idee in vista della futura scelta universitaria.


Bibliografia:

- www.wikipedia.it - www.unipd.it - www.encarta.it - www.rsc.org - www.lescienze.it

Le foto che documentano l’esperimento sono state scattate durante l’esperienza al Liceo Scientifico “G. Bruno” di Mestre e al Laboratorio di Scienza e Tecnologia dei Materiali dell’Università Ca’ Foscari di Venezia


Ricerca a cura di:

Lazzarin Lorianna, Novello Lisa, Zampieri Sabrina

Liceo Scientifico Statale “E. Majorana - E. Corner” Mirano, Venezia

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