La nanotecnologia è la scienza dell’infinitamente piccolo del presente e del futuro. È l’insieme delle conoscenze e delle tecniche relative alle nanostrutture, agglomerati molecolari creati artificialmente con gli scopi più diversi, tra i quali la costruzione di materiali innovativi, e il miglioramento dei processi produttivi
La nanotecnologia è una tecnologia fondata non sui materiali nella loro interezza, ma sui singoli componenti dei materiali, ossia sui singoli atomi. “Nano” in fisica ha un significato molto preciso. Tutti sappiamo che il millimetro è la millesima parte del metro. Ebbene, immaginiamo di dividere il millimetro in altre mille parti: avremo una dimensione che è un milionesimo del metro. Se dividiamo ancora ogni parte in altre mille, arriveremo a un miliardesimo di metro. La scala del miliardesimo di metro è la scala del nanometro. “Nano” significa miliardesimo. A cosa servono le nanotecnologie? Immaginiamo una bicicletta. Come l’avremmo costruita in passato? Avremmo realizzato il disegno tecnico, il disegno ingegneristico di tutti i componenti; avremmo cercato i materiali più adatti per realizzare i singoli componenti, li avremmo assemblati e avremmo così realizzato la bicicletta. Al giorno d’oggi, invece, con le nanotecnologie, non si disegna più la bicicletta, ma si “disegna” il materiale con cui verranno realizzati i singoli componenti della bicicletta, perché un materiale composito, un nanomateriale ibrido, che accolga in sé tutte le caratteristiche dei componenti di cui è costituito, può avere prestazioni molto superiori a qualunque altro materiale disponibile, sia naturale che sintetico.
Protagonista è l’atomo
Tutti i materiali esistenti sulla terra sono fatti di atomi. Gli atomi sono dei mattoncini fondamentali di cui la materia è costituita. Gli atomi hanno natura e caratteristiche diverse. In senso assoluto, l’atomo più importante, per la vita, per la biologia e anche, forse, per le nuove tecnologie, è l’atomo di carbonio. Una sequenza di atomi disposti in modo assolutamente regolare forma un cristallo. Ma in natura non esiste il cristallo perfetto, ci sono delle irregolarità nella disposizione degli atomi, irregolarità che vengono definite difetti del reticolo del cristallo. Le nuove tecnologie, le nanotecnologie, consentono di ottenere qualcosa di impensabile nel passato: strutture regolari, perfette, su scala atomica. Gli atomi sono nella posizione esatta in cui dovrebbero essere. Questo grado di perfezione è essenziale in applicazioni altamente tecnologiche. Per esempio, un computer, i cui costituenti, che noi chiamiamo microchip, abbiano questo grado di perfezione, funziona molto meglio di qualsiasi computer commerciale. Le nanotecnologie ci consentono di costruire dei materiali che abbiano un grado di perfezione inimmaginabile fino a pochi anni fa.
Il diamante e il carbone: fratelli agli antipodi
Il carbonio ha un posto di rilievo nell’ambito della scienza dei materiali, oltre che della vita, perché tutti noi esseri viventi siamo delle unità basate sul carbonio.
Il carbonio, storicamente, è sempre comparso in due stati possibili: il primo stato è il carbone propriamente detto, o grafite; il secondo stato in cui si può presentare è il diamante, molto più raro, molto più duro e tenace rispetto alla grafite, che invece tende a sfogliarsi. Il diamante si ottiene comprimendo fortemente la grafite ad alte temperature. Ma adesso le nanotecnologie ci danno la possibilità di modificare la disposizione degli atomi di carbonio e di creare nuove forme di carbonio, che si chiamano allotropi, cioè forme diverse di carbonio rispetto a quelle consuete. La prima è il grafene, una specie di lenzuolo costituito da atomi di carbonio disposti a reticolo l’uno accanto all’altro; la seconda è il carbonio messo sotto forma sferica, sessanta atomi di carbonio che formano una sfera; la terza sono i nanotubi di carbonio, o nanotubi di grafite, che si possono immaginare come piccoli tubi, ottenuti arrotolando un foglio di grafene. Ed è il grafene la soluzione di tanti problemi tecnologici.
Il grafene, per esempio, ha delle ottime proprietà meccaniche, è molto resistente, conduce molto bene il calore e l’elettricità, inoltre è una membrana impermeabile a tutti i gas. Il singolo strato di grafene è trasparente, assorbe solo il 2,5% della luce, ha una elevatissima area superficiale, pertanto ne basta poco per coprire grandi superfici: basta un litro di soluzione contenente pochi grammi di grafene per coprire un campo di calcio. In combinazione con altri materiali, permette la realizzazione di materiali innovativi che combinano le qualità dell’uno e degli altri e che trovano applicazione in vari campi, dall’energia all’elettronica, al biomedicale. Per esempio è stato utilizzato per purificare l’acqua, per la realizzazione di batterie, di vernici, e così via.
Il grafene è stato il primo “prodotto” di questa tecnologia, che ha agito poi su altri materiali, realizzando materiali monoatomici, bidimensionali, ossia “foglietti” di materiali dello spessore di un solo atomo (in pratica lo spessore più piccolo che si può realizzare), con proprietà molto diverse tra loro.
Infatti, i materiali portati alle dimensioni nanometriche assumono particolari proprietà chimico-fisiche, differenti dai corrispondenti materiali convenzionali.
Attraverso l’uso delle nanotecnologie si possono realizzare nuovi materiali funzionali, strumenti e sistemi con straordinarie proprietà derivanti dalla loro struttura molecolare ed implementare qualità e caratteristiche di processi e prodotti esistenti. Alla nanoscala, infatti, gli oggetti sono in grado di cambiare colore, forma e fase molto più facilmente che alla macroscala.
In generale queste nuove tecnologie sono in grado di operare su due livelli:
1. trasformazione chimica delle superfici, inserendo sul materiale di base specifici atomi o molecole;
2. deposizione di film sottili come: metalli, ossidi, polimeri, ed altri.
I trattamenti superficiali nanometrici permettono di ottenere dei materiali con particolari proprietà superficiali, che vengono utilizzati, per esempio, in prodotti per applicazioni estetiche, prodotti con superfici resistenti all’abrasione, corrosione, prodotti con elevate proprietà dì idrofobia/idrofilia, prodotti con proprietà ottiche (antiriflesso, antiscratch, ecc.).
Importanti nanomateriali
Nell’industria le nanoparticelle vengono integrati ad esempio come materia prima nei materiali compositi, oppure applicate su materiali non in nanoscala. Per esempio:
Nano-argento: le proprietà germicide dell’argento vengono sfruttate sempre più frequentemente mediante l’utilizzo di argento in forma di nanoparticelle. Il nano-argento viene utilizzato nei prodotti medici, come per esempio le fasciature, oppure per rivestire le superfici di maniglie. Il nano-argento viene incorporato anche nei prodotti tessili e con la sua azione antibatterica previene i cattivi odori che si formano nelle calze sudate.
Particelle di fuliggine (Carbon black): le particelle di fuliggine vengono prodotte in modo mirato per applicazioni industriali. Si trovano le particelle ad esempio nei pneumatici delle auto, dove ottimizzano la resistenza al rotolamento o l’abrasione. Il carbon black viene utilizzato anche come pigmento nero nei colori e nelle vernici o come additivo antistatico nelle plastiche.
Nanotubi di carbonio (Carbon Nano Tubes, CNT): i CNT sono minuscoli tubicini, costituiti quasi esclusivamente dall’elemento carbonio, laddove le pareti dei tubicini sono costituite da un singolo o da pochi strati di atomi. Sono estremamente robusti e vengono perciò incorporati nelle materie plastiche e nei compositi al fine di migliorarne le proprietà meccaniche. Si trovano nei dispositivi sportivi hightech (telai delle biciclette, racchette da tennis). Per ora la ricerca si concentra soprattutto sulla loro applicazione in ambito elettronico.
Biossido di titanio (TiO2): Il biossido di titanio è l’ossido di metallo utilizzato più frequentemente. Esso viene impiegato soprattutto nel trattamento superficiale per rendere la superficie repellente allo sporco. Il biossido di titanio è attivo a livello fotocatalitico, ovvero può accelerare la scomposizione di materiali organici mediante la luce del sole (raggi UV). Se le particelle vengono ad esempio incorporate nelle pitture per facciate, fanno in modo che le facciate rimangano più pulite. Inoltre, un tale strato è in grado di contrastare i microrganismi (batteri, funghi, …) e contribuisce a tenere pulita l’aria.
Ossido di zinco (ZnO): dopo il biossido di titanio, l’ossido di zinco è l’ossido di metallo maggiormente utilizzato. Le nanoparticelle di ZnO assorbono i raggi UV del sole in modo molto efficiente. Esse vengono quindi utilizzate, ad esempio, nelle creme solari con fattori di protezione alti. Lo ZnO è un semiconduttore diretto e viene utilizzato come strato conduttore trasparente nei diodi luminosi (LED) o nei display a cristalli liquidi. Nella produzione delle celle fotovoltaiche un rivestimento di ossido di zinco spesso un nanometro contribuisce ad aumentare il loro rendimento.
Biossido di silicio (SiO2): le nanoparticelle di biossido di silicio nei rivestimenti superficiali e nelle vernici servono soprattutto ad aumentarne la resistenza ai graffi e la durezza. Come riempitivo nel pneumatici delle auto, essi riducono la resistenza al rotolamento diminuendo così il consumo di carburante. Le particelle di SiO2 amorfo da decenni vengono utilizzate come additivo alimentare (E551) per impedire la formazione di grumi di polvere (sali, spezie, ecc.). In questa applicazione le particelle di SiO2 si presentano come agglomerati non strutturati, non come nanoparticelle “libere”. Gli agglomerati stessi hanno dimensioni nell’ordine micrometrico.
Anche il cleaning guarda alle nanotecnologie
Nel cleaning professionale le nanotecnologie hanno fatto il loro ingresso consentendo la realizzazione di attrezzature e prodotti detergenti dalle caratteristiche peculiari.
Pioniera è stata, anni orsono, IPC che, con le sue divisioni Euromop e Ready System, ha realizzato una linea di carrelli e di dispenser in plastica antibatterica, frutto di altissima tecnologia, per cui nanoparticelle d’argento, mescolate secondo una percentuale precisa (e ovviamente non dichiarata in quanto segreto industriale) con i polimeri di plastica, hanno consentito la realizzazione di un materiale che inibisce sino a quasi il 100% la proliferazione dei batteri patogeni. Analogamente sono state realizzate frange e mop agli ioni d’argento, che sono additivi antimicrobici che vengono incorporati nel tessuto nella fase di produzione o applicati come rivestimento dopo la produzione, offrendo una protezione integrale continua per la durata prevista del prodotto. Gli ioni d’argento si legano con i microbi che entrano in contatto con la superficie trattata e li danneggiano irreparabilmente, ostacolando la normale funzionalità delle loro cellule, rendendo impossibile la riproduzione e provocandone infine la morte. Anche nel comparto delle macchine per la pulizia le nanotecnologie possono fare la loro parte, sia per quanto riguarda la robustezza e la leggerezza dei materiali che costituiscono il telaio delle macchine, sia, per esempio, nella produzione di batterie sempre più performanti, sia come dimensioni e peso, sia come resistenza e durata.
L’ultima frontiera, in questo settore, è costituita dalle batterie agli ioni di litio, che, già di per sé un grande passo in avanti rispetto alle batterie tradizionali, perché piccole, poco pesanti, in grado di essere frequentemente e rapidamente ricaricate per essere sempre pronte all’uso, sono tuttora sottoposte a ricerche che vanno nella direzione delle nanotecnologie, per ottimizzare ulteriormente le loro performance.
Fimap, sempre attenta all’innovazione, ha presentato in occasione dell’ultimo Pulire, una nuova linea di lavascugapvimenti che ha proprio nelle batterie agli ioni di litio uno dei suoi maggiori plus. Ebbene, oggi la ricerca scientifica ha consentito lo sviluppo di un nanomateriale basato sul Germanio che ha la capacità di immagazzinare energia al suo interno 5 volte superiore alle attuali batterie al litio e consente di ridurre al minimo i tempi di ricarica: due minuti anziché due ore.
Ma è il mondo dei prodotti detergenti e di trattamento delle superfici che attualmente si sta avvalendo sempre più delle nanotecnologie, come ci conferma Michelina Infelice, responsabile di laboratorio di Arco Chimica, che ha approntato una linea di detergenti per i vetri che sfrutta il cosiddetto “effetto Loto” (Vedi box): nella formulazione vengono inserite nanoparticelle di materiali che conferiscono al prodotto finito la capacità di realizzare sulla superficie da cui asportano lo sporco una sorta di schermo protettivo sul quale non c’è più la possibilità, per lo sporco stesso, di aggrapparsi e depositarsi.
Le operazioni di pulizia, pertanto, risultano più efficaci e diventano meno frequenti nel tempo. Nanoparticelle di Titanio, di Silicio, di Argento entrano invece nelle formulazioni della più tecnologica delle gamme di BonaSystems.
Due sono gli ambiti su cui vanno ad agire le nanoparticelle: sul comportamento delle superfici da trattare; sul comportamento che subisce la contaminazione, ossia lo sporco. Utilizzando i detergenti nanotecnologici con microfibre di altissima qualità (70% poliestere, 30% poliammide) l’azione pulente penetra in profondità nel materiale di superficie disgregando lo sporco che vi si annida.
La microfibra lo asporta e il prodotto deposita sulla superficie dei nanomateriali che creano un film invisibile, modificandone il comportamento a seconda della loro specificità:
• il nanoargento crea un’azione antibatterica;
• il nanosilicio chiude la porosità del materiale della superficie trattata;
• il nanotitanio conferisce la capacità di disgregare le sostanze organiche.
Questo consente di facilitare l’asportazione della contaminazione dalle superfici trattate e, nello stesso tempo, rende più difficoltoso il reinsediamento dello sporco all’interno delle microporosità del materiale di rivestimento.
A lungo andare, inoltre, le superfici così trattate diventano antistatiche.
LA NANOTECNOLOGIA IMITA LA NATURA
Una linea attualmente seguita in molti filoni della nanotecnologia è capire
e copiare la natura, in quanto la natura è nanotecnologia per definizione.
Effetto Loto
Le foglie di Loto hanno due caratteristiche peculiari: scarsa presenza di batteri e idrorepellenza. Benché crescano
anche in invasi d’acqua sporca e inquinata, è difficile trovare sulla loro superficie tracce di contaminazione e solo il 2/3% delle gocce di pioggia viene a contatto con essa. Questo succede perché la foglia di Loto ha una struttura a due livelli – protuberanze alla micro-scala e strutture simili a peli alla nano-scala -, accoppiata alla composizione chimica cerosa, che condiziona il suo comportamento. Da questa osservazione sono stati progettati prodotti auto-pulenti: pitture, vetri, calcestruzzi eccetera.
Effetto Geco
Il Geco è l’animale più pesante che può stare sospeso su un soffitto, con i piedi al di sopra della testa. Nel solo pollice del geco c’è qualcosa come un miliardo di sottili peli adesivi, che misurano circa 200 nanometri in larghezza e lunghezza.
Ricercatori dell’Università di Akron, Ohio, e del Rensselaer Polytechnic Institute, ponendo nanotubi multistrati sulla superficie di un polimero, hanno creato un adesivo simile ai piedi del geco, molto più elastico e 200 volte più resistente.
Anche in Germania è stato sviluppato un materiale con struttura “biomimetica” (che imita la natura) che aderisce ai muri lisci senza alcun tipo di adesivo.
Effetto Scarafaggio
Lo scarafaggio del deserto della Namibia possiede un sofisticato nano-sistema per la raccolta di acqua nell’arido ambiente del deserto. L’unica fonte di approvvigionamento è l’umidità portata dalla nebbia. “Quando la nebbia scorre orizzontalmente sul dorso dello scarafaggio, sottili gocce d’acqua, da 15 a 20 microns – un milionesimo di metro –
in diametro, iniziano ad accumularsi in cima alle protuberanze del dorso. Le protuberanze, che attirano l’acqua, sono circondate da canali cerati idro-repellenti” (Physorg.com).
Man mano che l’accumulo di acqua aumenta, ogni singola goccia aumenta di volume e, quando diventa grossa, supera
la forza di rotazione che la sostiene e rotola nella bocca dello scarafaggio.
A seguito di queste scoperte i ricercatori del MIT, utilizzando polimeri e nanoparticelle di silice, hanno prodotto un materiale che può catturare e controllare piccolissime quantità d’acqua, con potenziali applicazioni nel campo dell’accumulo di acqua, sistemi di raffreddamento e chip diagnostici. Un’altra possibile applicazione è quella della decontaminazione.
Effetto Farfalla
Le ali di una farfalla Morpho sono dotate di una polvere colorata. Se queste particelle di polvere vengono ingrandite fino al livello nanometrico, si nota una struttura ad albero di Natale. La luce interagisce con i “rami” delle “strutture alberello”, provocando il colore blu fosforescente della farfalla.
Replicando la struttura del colore delle ali della farfalla, i ricercatori del George Institute of Technology di Atlanta, Georgia, hanno prodotto un nuova tecnologia che ha prodotto nuovi dispositivi ottici chiamati “Cristalli Fotonici” e alle fibre ottiche di nuova generazione.
Effetto Conchiglia
Il guscio di alcune conchiglie è costituito da madreperla, un materiale pregiato formato da nanocristalli di aragonite uniti da colle proteiche. Questa proprietà ha ispirato i ricercatori della University of Michigan nella creazione di un foglio plastico composto di strati di nanofogli di argilla e di un polimero idro-solubile con le stesse caratteristiche chimiche della colla, che è resistente quanto l’acciaio ma più leggero e trasparente.
Una delle applicazioni più promettenti di questo genere di ricerche è la riparazione dentaria.
