Post on 15-Feb-2019
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Nanoscienze e Nanosistemi
Nanoscienze e Nanosistemi
Fabrizio Mancin
Dipartimento di Scienze ChimicheEdificio Chimica Organica, II Piano, Stanza 5
tel. 049 8275666, e-mail: fabrizio.mancin@unipd.it, http://www.chimica.unipd.it/fabrizio.mancin/
U of TUniversità di Padova
Tipologie di nanosistemi
Proprietà e stabilità
Metodi di preparazione
Metodi di caratterizzazione
Possibili applicazioni
Obiettivi formativi del corso:
Il corso si propone di introdurre gli studenti a mondo dei nanosistemi, con particolareattenzione alle nanoparticelle. In particolare, verranno prese in considerazione imetodi di preparazione, le proprietà e le possibili applicazioni delle principali classi dinanoparticelle.
Chimica Organica II
Nanoscienza e Nanotecnologia
Chimica Organica II
Nanoscienza: studio delle proprietà e della preparazione di di materiali nella scala dei nanometri.
Nanotecnologia: progettazione, la caratterizzazione, la produzione e applicazione di strutture, dispositivi, sistemi, mediante l’uso di materiali nella scala nanometrica
Richard Feynman
There's Plenty of Room at the BottomDecember 29th, 1959
“What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale..
…When we get to the very, very small world---say circuits of seven atoms---we have a lot of new things that would happen that represent completely new opportunities for design. Atoms on a small scale behave like nothing on a large scale, for they satisfy the laws of quantum mechanics.”
Nanosistemi
Le dimensioni degli oggetti
atomo: 0.1 nm
Ciclodestrina: 1 nm
Nanoparticella: 10 nm
Transistor: 30 nm
Microelettrodo: 100 nm
DNA: 2 nm
Proteina: 10 nm
Virus: 100 nm
Batterio: 1000 nm
Globuli rossi: 1000 nm
Quante dimensioni?
5 m
1 nano-dimensione: film sottili
2 nanodimensioni: nanofili
3 nanodimensioni: nanoparticelle
Nanosistemi
Anche il vuoto è nanoNanosistemi
Materiali mesoporosi: ciò che è nano sono i buchi!
Il nano nel nano: nanoparticelle mesoporose, nanocapsule
Materiali nanocompositiNanosistemi
Materiali con nanoparticelle inglobate
Cristalli di nanoparticelle
Forme diverse
Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture
Nanobiotecnologie
Materiali nanostrutturatiNanosistemi
Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture
Nanostrutture naturaliNanosistemi
Diatomee (micromolluschi) Terre diatomacee
• Filtrazione• Dentifrici• Abrasione• Dinamite
Foglia di loto(superidrofobica)
Dita del geco (superadesive)
Nanocose nella nostra vitaNanosistemi
http://www.nanotechproject.org/
Struccatore con nanoparticelle di ossido di
zinco e “micelle”Orsetto di peluche con nanoparticelle
di argento
Terra diatomacea, zucchero di canna e
aceto: integratore alimentare
Racchetta da tennis al fullerene
Crema antirughe con nanoparticelle di silice
Detergente per superfici con nanoparticelle di
argento e silice
Nanofabbricazione: top-downNanosistemi
Mulino a palle
NanolitografiaCircuiti integrati (45 nm e meno)
Nanoparticelle e affiniNanosistemi
Nanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.
Nanocristallo: cristalli singoli con almeno una dimensione al di sotto di 100 nm
Nanocluster: insieme di atomi legati covalentemente di dimensioni tra 1 e 10 nm. Nella definizione originale doveva contenere legami covalenti metallo-metallo, ma ora anche fullerene e borano sono considerati cluster.
C60 B12H122-
Tipi diversi di materialeNanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.
o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine
o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus
o Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni
Elevato rapporto superficie/volume Tensione superficiale
Tendenza all’aggregazione
Nanobiotecnologie
Tipologie di nanoparticelleNanosistemi
Virtualmente, ogni materiale noto può essere utilizzato per formare nanoparticelle:
• Fullerene, nanotubi di carbonio, grafene, nanoscroll
• Dendrimeri
• Aggregati di tensioattivi
• Nanoparticelle polimeriche, microemulsioni, nanoparticelle organiche
• Nanoparticelle metalliche (Au, Ag, Cu, Pt, Pd, ma anche Si, C)
• Nanoparticelle di semiconduttori (ZnS, SeCd, TeCd, …)
• Nanoparticelle di ossidi (ZnO, SiO2, TiO2, ZrO2, Fe3O4)
Molecole
Nanoparticelle“soft”
Le morfologie possono essere molto differenti:
• Sfere o poliedri (nanoparticelle)
• Cilindri o sfere allungate (nanorod)
• Gusci vuoti o particelle multistrato (nanoshell e core-shell)
• Stelle a 4 punti (tetrapods)
• Altre strutture
Confinamentoquantico
Nanoparticles growth
Free energy variation for the formation of a spherical particle
Molecular volume of the building block
Molar fraction of the particlesof radius r Surface tension
r > r* → growth
r < r* → dissolution
Smaller particles grow more rapidly than larger ones → focusing
Nanobiotecnologie
Surface stabilizationAll the nanoparticles tend to aggregate: aggregation decreases the total surface and hence the second term of the equation (related to surface tension)
o Electrostatic repulsion (surface charge)
o Steric repulsion
Surface tension may is decreased with surfactants.
Nanoparticles aggregation may be kinetically prevented by:
Nanobiotecnologie
Stabilizzare le nanoparticelleA causa dell’elevata tensione superficiale le nanoparticelle tendono ad aggregare. L’aggregazione può essere evitata in due modi.
Nanobiotecnologie
Stabilizzazione elettrostatica Stabilizzazione sterica
Dipende dalla costante dielettrica del mezzo
(soluzioni saline!)
Dipende dalla carica totale (dimensioni della
particella)
Spesso l’aggregazione è irreversibile
Dipende dalla solubilità
Normalmente l’aggregazione è reversibile