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approfondimenti
Ottobre 2014
■
Automazione e Strumentazione
30
INNOVAZIONE
avanzamenti e intuizioni si stanno concretiz-
zando sotto forma di tecnologie concrete.
Potenzialità e applicazioni
Due sono i principali fattori fisico-tecnologici
alla base delle vastissime proprietà dei nano-
materiali: l’incremento dell’area superficiale e
l’effetto di confinamento quantico. Questi fattori
determinano non solo l’aumento delle caratteri-
stiche meccaniche ma anche l’insorgere di pro-
prietà ottiche ed elettroniche del tutto nuove,
opportunamente sfruttabili per varie applica-
zioni.
Le dimensioni nanometriche delle particelle for-
niscono un’elevata
superficie di interfaccia
,
conferendo così caratteristiche chimico-fisiche
differenti ai materiali nanostrutturati e influendo
sulle applicazioni nelle quali il rapporto superfi-
cie attiva-volume diventa determinante.
Anche le proprietà ottiche, magnetiche ed elet-
triche cambiano radicalmente a livello nanome-
trico. Riducendo le dimensioni fino a raggiun-
gere quelle tipiche nanometriche dei cosiddetti
clusters, a causa del basso numero di atomi
presenti nel cluster medesimo e del suo volume
ridotto, nella struttura elettronica si manifesta
una discretizzazione dei livelli energetici (quan-
tizzazione), a sua vol-
ta dipendente dalle
dimensioni del cluster.
Questo fenomeno, de-
nominato “
quantum
size effect
”, dà origine
a proprietà del tutto
nuove,
discordanti
con quelle tipiche del
materiale a dimensioni
macroscopiche ordina-
rie.
Tra le tecnologie emer-
genti, le nanotecno-
logie
rappresentano
dunque per il mondo
dell’industria un’im-
perdibile occasione di crescita e innovazione,
interessando settori come la medicina, le bio-
tecnologie, l’agricoltura e l’informatica, fino
alla struttura dei materiali, alla ricerca spaziale,
all’ambiente, alla meccanica e alla sicurezza.
Numerosi prodotti riconducibili all’utilizzo delle
nanotecnologie sono già disponibili sul mercato
e di uso quotidiano. La pervasività delle appli-
cazioni nanotecnologiche è dovuta soprattutto
all’impatto sui materiali: dal legno al tessile fino
ai materiali cementizi autopulenti. Le nanotec-
nologie trovano inoltre applicazione nell’abbat-
timento degli inquinanti e nella produzione di
pannelli fotovoltaici.
I
rivestimenti nanostrutturati
anticorrosione
e decorativi sono l’alternativa alla cromatura di
rubinetti, maniglie, occhiali e altri componenti
soggetti a corrosione. Numerose le applicazione
nel campo dell’industria biomedica: dalla fabbri-
cazione di protesi ossee e dentali, alla diagnostica
e sensoristica, all’ingegnerizzazione di molecole
farmacologiche per la cura di malattie. Tramite
le applicazioni delle nanotecnologie si possono
realizzare
transistor su scala nanometrica
e
dispositivi quantistici
con funzioni più ampie
rispetto a quelli classici utilizzati correntemente
nell’industria elettronica.
Il confine delle nanotecnologie tocca anche la
realizzazione di sensoristica e dispositivi minia-
turizzati di tipo
MEMS
(Micro Electro-Mecha-
nical Systems) e
NEMS
(Nano Electro-Mecha-
nical Systems). Queste tecnologie infatti danno
vita a sensori e sistemi “intelligenti” che abbi-
nano funzioni elettroniche, fluidiche, ottiche,
biologiche, chimiche e meccaniche concentrate
in uno spazio ridottissimo. I MEMS e i NEMS
sono vere e proprie strutture integrate mecca-
niche ed elettroniche in silicio monocristallino,
su scala micrometrica e nanometrica rispettiva-
mente.
Nanomateriali
I nanomateriali sono materiali formati da unità
nanometriche e nanostrutturate nell’ordine del
nanometro. Si possono distinguere in tre cate-
gorie. La prima è quella dei
materiali con una
dimensione nanometrica lamellare
cui appar-
tengono
film ultrasottili e superfici tecnologi-
che. Questa categoria di materiali già da tempo
vanta applicazioni nel campo dell’elettronica e
dei rivestimenti superficiali. Della seconda cate-
goria, quella dei
nanomateriali in due dimen-
sioni
, fanno parte nanofili e nanotubi. In parti-
colare, i
nanowires
sono fili o cavi nanometrici
formati da punti quantici che si autoassemblano
a formare una struttura lineare. Nella nanotecno-
logia dei semiconduttori si sintetizzano nanowi-
res di silicio, nitruro di gallio e fosfuro di indio
che hanno dimostrato di avere rimarchevoli pro-
prietà ottiche, elettroniche e magnetiche. Infine i
materiali con tre dimensioni nanometriche
. Di
questa categoria fanno parte nanoparticelle, punti
quantici e materiali nanocristallini con grani di
dimensioni nanometriche.
Uno dei settori maggiormente interessati alle
applicazioni della nanotecnologia è quello
della
chimica di base
e dei materiali. Esempi
tipici sono i
nanomateriali ultra-leggeri e ultra-
resistenti, i nanocompositi polimerici per appli-
cazioni strutturali, le membrane per filtrazione
Modello Nanotubi al
carbonio
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