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Tipi di nanomateriali

I nanomateriali sono impiegati in centinaia di applicazioni e di beni di consumo, dai dentifrici alle batterie, alle vernici e all'abbigliamento.

Lo sviluppo di queste sostanze innovative costituisce un importante stimolo alla competitività europea e internazionale, soprattutto per il progresso tecnologico in settori quali la medicina, la protezione dell'ambiente e l'efficienza energetica. Considerate però le incertezze che permangono rispetto ai possibili rischi, è necessario disporre di una definizione chiara per garantire l'applicazione delle norme corrette in materia di salute e sicurezza.

Infatti, secondo la Raccomandazione della Commissione Europea 2011/696/UE del 20.10.2011 per nanomateriale si intende: “un materiale naturale, derivato o fabbricato contenente particelle, in stato libero o sotto forma di aggregato o di agglomerato e nel quale, almeno il 50% della distribuzione dimensionale numerica di tali particelle possiede una o più dimensioni esterne nella classe di grandezza 1‑100 nm (1 nanometro (nm) corrisponde a 10 -9 metri)”.

In casi specifici, e laddove le preoccupazioni per l'ambiente, la salute, la sicurezza e la competitività lo giustifichino, la soglia del 50% della distribuzione dimensionale numerica può essere sostituita da una soglia compresa tra l'1% e il 50%. Inoltre, i fullereni, il grafene e i nanotubi a parete singola con una o più dimensioni esterne inferiori a 1 nm sono da considerarsi nanomateriali. Un materiale con una superficie specifica in rapporto al volume di oltre 60 m2 /cm³ deve essere considerato come un nanomateriale. La Commissione Europea sta riesaminando, alla luce dei progressi tecnici e scientifici, la definizione di nanomateriale.

Questa sezione descrive alcuni dei più comuni tipi di nanomateriali ingegnerizzati e dei loro possibili impieghi.

 

Nanofilm  e rivestimenti di superfici

I nanomateriali monodimensionali come film sottili e rivestimenti sono stati utilizzati per decenni nell'industria elettronica, chimica e meccanica. Sono in corso studi che riguardano il controllo della composizione e delle proprietà delle superfici. Le strutture con elevata area superficiale, con specifiche proprietà e reattività sono abitualmente utilizzate in molti settori, come per esempio nelle celle a combustibile e nei catalizzatori.

Queste caratteristiche li rendono adatti anche nel settore chimico ed energetico, con una maggiore attività e selettività nei reattori e nei processi di separazione contribuendo a evidenti benefici economici. L’applicazione dei nanofilm polimerici trasparenti e invisibili, con spessore minimo di 1 - 2 nm, conferisce proprietà idrofobiche, resistenza alle abrasioni e ai contaminanti.

Nanoargille

Le nanoargille sono nanoparticelle stratificate di minerali silicatici che si possono trovare in natura o costruite per avere specifiche proprietà. I compositi contenenti nanoargille, utilizzati come materiali di rinforzo, sono impiegati in alcune applicazioni commerciali come, ad esempio, nella realizzazione degli interni delle automobili.

Le tecniche di produzione si basano sul fatto che è possibile, utilizzando solventi, rompere le particelle di argilla fino ai loro componenti più piccoli, costituiti da fogli sottili, che possono avere lo spessore di un nanometro. Una proprietà dei compositi costituiti da nanoargille è quella di aumentare enormemente la tenuta dei gas permettendo così di ridurre il consumo di materiali utilizzati per determinate applicazioni quali, ad esempio, il confezionamento degli alimenti.

Nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio sono stati scoperti nel 1985 dal chimico americano Richard E. Smalley, il quale osservò che in determinate condizioni gli atomi di carbonio sono in grado di organizzarsi in strutture ordinate di forma sferica che, dopo un successivo rilassamento, tendono ad arrotolarsi su sé stesse dando origine alla tipica forma cilindrica dei nanotubi in carbonio. Questi esistono in tre differenti forme: i nanotubi a parete singola formati da un singolo foglio di grafene arrotolato su sé stesso, i nanotubi a parete doppia formati dall’arrotolamento di due strati grafenici e infine i nanotubi a parete multipla formati da più fogli grafenici arrotolati coassialmente su sé stessi.

Di queste tre differenti tipologie di nanotubi, quelli più facili da ottenere sono gli ultimi, che non richiedono condizioni di crescita troppo particolari. I nanotubi in carbonio possiedono caratteristiche meccaniche di altissimo livello, associate ad un peso specifico (quello del carbonio) che è di molte volte inferiore a quello della maggior parte dei metalli utilizzati in campo industriale.

È stato calcolato che un nanotubo di carbonio può avere una resistenza alla trazione cento volte più grande dell’acciaio pesando però sei volte di meno rispetto a quest’ultimo. Senza contare che i nanotubi non presentano solo un’elevatissima resistenza alla rottura per trazione, ma sono dotati anche di una buona flessibilità, dato che sono in grado di piegarsi senza rompersi o danneggiarsi fino ad angoli di 90°.

L’estrema resistenza alla trazione unita alla loro flessibilità rende i nanotubi ideali per l’uso come rinforzo per i materiali polimerici, producendo nanocompositi dalle prestazioni elevatissime. Inoltre l’uso dei nanotubi nella produzione di fibre può portare alla produzione di compositi estremamente più resistenti degli attuali basati sulle fibre di carbonio tradizionali.

Nanofili

Nell'ultimo decennio si è sviluppata la ricerca relativa ai nanofili. Si tratta di nanomateriali aventi una struttura allungata di forma cilindrica, con diametri fra i 15 e i 200 nm e lunghezze da poche decine di nanometri fino a un massimo di decine di micron.

Esistono diversi tipi di nanofili, compresi quelli metallici (ad es. Ni, Pt, Au), i semiconduttori (ad es. InP, Si, GaN, ecc.) e isolanti (ad esempio SiO2, TiO2).

Forse l'uso più ovvio per i nanofili è nell'elettronica. Alcuni nanofili sono conduttori o semiconduttori e la loro dimensione minuscola permetterebbe di installare milioni di transistor su un singolo microprocessore. Di conseguenza, la velocità del computer aumenterebbe notevolmente. I nanofili sono ampiamente usati in molte aree di ricerca, quali elettronica e sensori, reti neuromorfiche, celle solari, energia alternativa e nella fotonica.

Metalli e ossidi metallici

Uno degli ossidi maggiormente utilizzati in forma nanometrica per la produzione di compositi è il Biossido di Titanio (TiO2). Questo materiale si presenta nella forma di una polvere cristallina di colore bianco che si trova in natura in tre differenti forme cristalline: Rutilo, Anatasio e Brokite. Il maggiore campo di utilizzo del biossido di titanio è quello dei pigmenti, dove viene usato come colorante bianco per la produzione di vernici, ma anche per la colorazione di materie plastiche e di cementi e suoi derivati.

Insieme all’Ossido di Zinco (ZnO) è utilizzato soprattutto nel settore cosmetico in prodotti quali creme da sole e rossetti. Inoltre, vista la sua proprietà di riflettere quasi perfettamente la radiazione infrarossa, è ampliamente utilizzato in campo aerospaziale. Ciò che rende interessante il biossido di titanio è la sua particolare proprietà di assorbire la radiazione ultravioletta presente all’interno dello spettro solare, divenendo una sostanza altamente reattiva.

Più esattamente, sotto l’azione della radiazione solare, gli elettroni più esterni del biossido di titanio, si liberano, permettendo all’ossigeno di reagire con sostanze organiche pericolose per l’uomo, che possono venire a contatto con l’ossido, trasformandole in molecole innocue come anidride carbonica e acqua. Tale meccanismo chiamato fotocatalisi, ha fatto sì che il biossido di titanio venisse studiato come ottimo candidato per la produzione di superfici autopulenti e antibatteriche.

C60 Fullerene

La scoperta dei Fullereni, una nuova forma di carbonio, risale alla prima metà degli anni ’80. Il nome attuale è stato dato in onore di Richard Buckminster Fuller, celebre architetto per avere diffuso la cupola geodetica con la forma dello stesso poliedro. Il C60 ha un diametro di circa 1 nm ed è composto da 60 atomi di carbonio disposti in esagoni e pentagoni che insieme sembrano formare un pallone da calcio.

I fullereni possono essere impiegati come vettori di altre molecole, per lubrificare le superfici, per la somministrazione di farmaci nel corpo e in apparecchiature elettroniche e ottiche.

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