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approfondimenti

Ottobre 2014

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Automazione e Strumentazione

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.

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

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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