AES_5 2023

FOCUS Approfondimenti 45 INDAGINE Automazione e Strumentazione n Giugno - Luglio 2023 applicazioni. Per comprendere e apprezzare la diver- sità dei nanomateriali è necessaria una certa catego- rizzazione e il metodo migliore è quello di classifi- carli in base alla loro dimensionalità (0D, 1D, 2D, 3D), cioè al numero delle dimensioni che sono confi- nate nel campo della nanoscala (<100 nm). A queste categorie possono poi appartenere materiali amorfi o cristallini, mono o policristallini, costituiti da uno o più elementi chimici, isolati o integrati in una matrice ecc., offrendo quindi una gamma di possibilità e combinazioni molto ampia. I materiali ridotti a scala nanometrica possono mostrare proprietà differenti rispetto a quelle che esibiscono su scala macrosco- pica, rendendo possibili applicazioni uniche. Smart Material A partire dalle nanotecnologie si possono quindi otte- nere materiali innovativi, sostenibili e biofunzionali, come materiali compositi, biomateriali, nanomate- riali e materiali intelligenti (smart materials), in grado questi ultimi di modificare rapidamente la loro strut- tura e le loro caratteristiche se sottoposti a stimoli ambientali e sollecitazioni esterne, come variazioni di temperatura, campi elettrici, magnetici e luminosi. Gli smart material si caratterizzano per la capacità di svolgere nuove e più complesse funzioni, anche con- temporaneamente. Una particolare applicazione dei nanomateriali “intel- ligenti” sono gli elastomeri, in grado di deformarsi e di ritornare in posizione. Altri esempi interessanti sono i materiali piezoelettrici, che sono in grado di generare una carica elettrica se sottoposti ad una deformazione, o viceversa di produrre una deformazione se alimentati da una sorgente elettrica. E ancora, i polimeri sensi- bili all’acidità (che si allungano o accorciano al variare del pH del liquido in cui sono immersi), i materiali che cambiano colore (se sottoposti a cambiamenti termici, meccanici, ottici, elettrici o chimici), le leghe e i poli- meri a memoria di forma deformabili al variare della temperatura, del campo magnetico o del campo elet- trico, e che, dopo essere stati deformati, possono ritor- nare alla forma iniziale, se viene rimossa la sorgente di temperatura o di campo magnetico. Nuovi materiali Tra i materiali intelligenti il più noto è sicuramente il grafene. Si tratta di un allotropo (composto che può assumere forme cristalline diverse) scoperto nel 2004 e costituito da un unico strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. Il grafene è carat- terizzato dall’essere sottile (lascia passare infatti il 97,7% della luce), trasparente, resistente e flessibile. Sebbene abbia lo spessore di un singolo atomo, il gra- fene assorbe solo il 2,3% delle radiazioni della luce su tutto lo spettro ottico. La macromolecola di grafene è anche un ottimo conduttore di calore e di elettricità. Il grafene sta cambiando molte regole del mercato dei materiali. Viene ad esempio utilizzato in combinazione con altri materiali, rivoluzionandone l’efficienza, nelle batterie degli smartphone, nelle lampade con filamenti incandescenti, nei dispositivi indossabili, nell’abbi- gliamento tecnico, negli pneumatici e nel tracciamento della catena alimentare. Oltre al grafene esistono innu- merevoli altri materiali su scala nanometrica, leggeri e ultraresistenti con casistiche d’uso interessanti e potenzialmente rivoluzionarie come i materiali bio- Antenna Z a metamateriali testata presso il National Institute of Standards and Technology Struttura dimensionale Descrizione Dimensioni Materiali 0D Nanocristalli, cluster, quantum dots Diametro 1-10 nm Metalli, semiconduttori, materiali magnetici 0D Altre nanoparticelle Diametro 1-100 nm Ossidi ceramici 1D Nanofili Diametro 1-100 nm Metalli, semiconduttori, ossidi 1D Nanotubi Diametro 1-100 nm Carbonio, TiO 2 , ZnO 2D Matrici di nanoparticelle Svariati nm 2 -μm 2 Metalli, semiconduttori, materiali magnetici 2D Superfici e film sottili Spessore 1-100 nm Materiali vari inorganici e organici 3D Strutture tridimensionali Diversi nm nell 3 dimensioni Metalli, semiconduttori, materiali magnetici Tabella 1 - Classificazione nanomateriali tipici