nanotecnologie per le imprese keen regions

KEEN REGIONS
Knowledge and Excellence in European Nanotechnology Regions
NANOTECNOLOGIE
PER LE IMPRESE
Una panoramica sulle opportunità
offerte dalle nanotecnologie
alle aziende per migliorare
i loro prodotti e servizi
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NANOTECNOLOGIE PER LE IMPRESE
Una panoramica sulle opportunità offerte
dalle nanotecnologie alle aziende per migliorare i loro prodotti e servizi
A cura di: Maurizio Malè
Grafica & layout: Alessandro Toffoli
Editore: CRACA Soc. Coop. - Centro Regionale per l’Assistenza alla Cooperazione Artigiana
Realizzato nel mese di maggio 2012
Il presente lavoro è stato realizzato all’interno del progetto KEEN Regions, coordinato da Veneto Innovazione. Il
progetto è finanziato dalla Commissione Europea all’interno del 7° Programma Quadro nella misura “Capacities
Programme - Regions of Knowledge initiative”.
Il progetto KEEN-Regions si pone l’obiettivo di accelerare lo sviluppo delle nanotecnologie in tre regioni europee
- Veneto (Italia), Rhone Alps (Francia) e Paesi Baschi (Spagna) - attraverso la logica del network, la creazione cioè
di collaborazioni stabili tra i centri di ricerca di queste regioni, l’attivazione di sinergie tra le aree e tra mondo della ricerca e business e la valorizzazione delle reciproche complementarità. Per raggiungere questo ambizioso
obiettivo KEEN-Regions mira a:
aumentare il livello di conoscenza rispetto alle strutture ed alle potenzialità di ricerca sia a livello delle singole
regioni che a livello interregionale;
·
migliorare i legami e la collaborazione tra istituzioni, enti di ricerca ed imprese nelle singole regioni;
·
incoraggiare la cooperazione transnazionale in aree di comune interesse;
·
concordare un piano di azione (per le nanotecnologie) comune per le tre regioni.
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Introduzione
Obiettivi della pubblicazione
La presente pubblicazione vuole offrire una panoramica sullo stato attuale delle nanotecnologie e sulle possibili applicazioni offerte oggigiorno dalla ricerca. In particolare si vogliono far
conoscere alle aziende, anche alle piccole e micro aziende, le opportunità offerte dai prodotti
che utilizzano nanotecnologie. Queste saranno sempre più presenti nel mercato e conoscerle
potrà fare la differenza nel lavoro di un’impresa, indipendentemente dalle sue dimensioni e
dal settore in cui essa opera.
Il futuro è Nano
Immaginate la Terra a confronto con una
pallina da tennis. Ecco, ora avete il
confronto tra un metro e un nanometro, ovvero un miliardesimo di
metro. Solo grazie ai microscopi
di ultima generazione e a tecniche sviluppate con faticose
e costose ricerche l’Uomo è riuscito a lavorare alla scala del
nanometro. In questo secolo
abbiamo le prime realizzazioni
nanotecnologiche, ma siamo
appena all’inizio. La scienza
ha aperto le porte su un
nuovo mondo, in grado di
portare ancora più avanti
i limiti della tecnologia. Le
nanotecnologie, seppur piccolissime e invisibili, hanno infatti già ora numerose applicazioni e in
futuro porteranno cambiamenti sempre più grandi nei dispositivi e nel lavoro di ogni giorno.
Nuove proprietà
Le speciali proprietà fisico-chimiche ottenute con le nanotecnologie sono dovute alle diverse
dimensioni dei materiali: diminuendo le dimensioni di una sfera il rapporto tra superficie e
volume aumenta, quindi uno stesso volume di materia ha una superficie maggiore ed entra
più facilmente in contatto con reagenti, solventi e altri materiali. Sono quindi favorite le reazioni
chimiche, come anche i processi fisici. Alla scala nanometrica inoltre cambiano molte proprietà
chimico-fisiche dei materiali che conosciamo, rendendoli ad esempio molto più resistenti o
adattabili a diverse esigenze.
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Cosa sono
le Nanotecnologie?
Sono le tecniche utilizzate per produrre
o manipolare oggetti con dimensioni da
0,1 a 100 nanometri. Qui a destra si può
vedere il loro rapporto con oggetti più
piccoli (atomi) o più grandi (dai virus ai
capelli umani).
”
“Una tecnologia a livello
molecolare che ci potrà
permettere di porre ogni
atomo dove vogliamo
che esso stia. Chiamiamo questa capacità “nanotecnologia”, perché
funziona sulla scala del
nanometro, che equivale
ad un miliardesimo di
metro”. [Eric Drexler]
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Come si costruiscono i materiali nano?
Approccio bottom-up (dal basso verso l’alto): si assemblano a
partire da più piccole nanoparticelle (atomi e molecole)
Approccio top-down (dall’alto verso il basso): si riducono le dimensioni di un materiale fino a raggiungere il livello nanometrico.
Nanotecnologie per microaziende
Utilità per le aziende
Le aziende possono beneficiare in molti modi delle nanotecnologie, in qualità di:
produttori: ricerca e produzione di soluzioni nanotech (solo grandi aziende sono in grado
di farlo);
utilizzatori di componenti nanotech nello sviluppo dei loro prodotti e processi produttivi (attualmente circa 100 aziende in tutto il Veneto, anche piccole);
utilizzatori (spesso inconsapevoli) di prodotti nanotech nel processo produttivo o nei servizi al cliente,
grazie alle migliori prestazioni (ad esempio i dipintori che utilizzano vernici contenenti nanoparticelle).
Vantaggi
Le nanotecnologie permettono di migliorare i processi
di produzione o di ottenere prodotti più resistenti, più
leggeri, più duraturi o addirittura con proprietà nuove credit “Progetto KEEN Regions”
rispetto ai prodotti tradizionali. L’efficienza della produzione può essere migliorata ad esempio
dall’integrazione di tecnologie nano direttamente nel processo di fabbricazione di un oggetto
(ad esempio rivestimento con film sottili inserito direttamente nella catena di montaggio).
Salute e ambiente
Essendo una tecnologia nuova bisogna studiarne i possibili effetti, in particolare delle nanoparticelle, sull’organismo umano. Se usate con criterio, però, le nanotecnologie possono apportare dei benefici anche all’ambiente, grazie a processi meno inquinanti e prodotti che usano
meno risorse. Ad esempio nei trattamenti con plasma i consumi energetici sono molto bassi,
quelli d’acqua trascurabili e l’impatto ambientale risulta praticamente nullo.
Opportunità
Le grandi aziende e gli istituti di ricerca, grazie alle risorse e ai laboratori che hanno a disposizione, sono
i soggetti che guidano il processo di sviluppo delle
nanotecnologie.
Esistono però opportunità anche per le piccole e medie
imprese: ci sono alcuni enti che mettono a disposizione
laboratori e ricercatori per lo sviluppo di soluzioni a
problemi presentati da singole aziende, che possono
essere risolti grazie ad applicazioni nanotecnologiche
(per maggiori informazioni e contatti si veda a pag.
33).
Laboratori in affitto
Uno dei più importanti laboratori
cui le aziende possono ricorrere
per trovare soluzioni idonee è il
NANOFAB (www.nanofab.it) di
Veneto Nanotech. Nato nel 2005,
ha servito fino ad oggi 68 imprese
(di cui 28 PMI), che hanno commissionato lavori per un valore
annuale pari a 2,8 milioni di Euro.
5
Esempi di applicazioni
L
e possibili applicazioni concrete delle nanotecnologie sono svariate: strutture come fullereni
e nanotubi possono essere utilizzate in moltissimi prodotti per renderli molto più leggeri
e resistenti, l’integrazione di nanoparticelle di SiO2 nei cementi da costruzione crea una microstruttura più uniforme e compatta, migliore idrorepellenza, migliore assorbimento di cristalli
di Ca(OH)2, che degradano il cemento.
Polveri di ossidi di zolfo ottenute con ball milling (v. pag. 20) sono usate per la costruzione di
batterie al litio ricaricabili, mentre gli ossidi di titanio (TiO2), i fullereni e gli ossidi
di zinco sono usati in cosmetici e creme
solari, poiché assorbono gli UV e rendono le creme meno irritanti.
Si sta studiando persino uno spray fotovoltaico che può essere spruzzato sul
tetto per formare
delle celle in
grado di produrre energia
elettrica e molte
altre innovazioni
sicuramente appariranno nei prossimi anni.
La struttura del fullerene (del diametro pari a circa 10
atomi) è molto simile a quella di un pallone da calcio: gli
atomi di carbonio ai vertici la rendono molto stabile.
I nanotubi sono composti da atomi di carbonio;
possono sostituire il silicio nei chip e sono 100 volte
più resistenti dell’acciaio, ma 6 volte più leggeri.
credit Fotolia/Tyler Boyes
Si presentano di seguito alcune applicazioni attualmente in fase di sviluppo o di prima realizzazione, divise per settore. La lista non è esaustiva, la ricerca continua a scoprire nuove strade
e possibilità, ma si ritiene utile mostrare i diversi aspetti e vantaggi dell’utilizzo di queste nuove
tecnologie in prodotti e servizi utili alle quotidiane attività umane.
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MODIFICA DEI MATERIALI
Polimeri, vernici, adesivi
Gli hard disk vengono realizzati disperdendo nanopolveri ceramiche in una matrice polimerica,
per dissipare meglio il gran calore che si sviluppa durante il loro utilizzo
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credit “Progetto KEEN Regions”
I Nanopolimeri
L
a dispersione di particelle (chiamate “filler”) in una matrice di polimeri migliora le caratteristiche di un composto: ad esempio silice e nerofumo (a cui si sta sostituendo ultimamente
un più ecologico biofiller derivato dall’amido di mais) sono aggiunti nella struttura degli pneumatici per diminuire l’usura e aumentare la durata delle gomme.
Se poi si inseriscono delle nanoparticelle (nanofiller), ne basta un quarto rispetto ai filler di dimensioni normali e si ottengono molti vantaggi, ad esempio:
Incremento delle proprietà meccaniche
(incremento resistenza al graffio o alla trazione, leggerezza, flessibilità e assorbimento urti per
applicazioni nel campo sportivo o dell’automotive)
Proprietà funzionali avanzate
(incremento dell’aderenza e della stampabilità delle poliolefine, antibatterico, biopolimeri)
Incremento barriera ai gas
(modifica del packaging polimerico per prodotti alimentari)
Incremento stabilità termica e antifiamma
(rivestimenti di parti a contatto con fonti di calore, ad esempio nei motori)
I contenitori per alimenti con nanoparticelle d’argento nella matrice
polimerica ostacolano il formarsi di
muffa.
Il “Self Reinforced Poly Propilene”
(SrPP) è un polimero di nuova generazione: leggerissimo ed economico,
è facilmente riciclabile ed è 6 volte
più resistente del convenzionale polipropilene. Per questo sarà sempre
più usato nelle automobili.
Cos’è un polimero?
I polimeri esistono normalmente
in natura, sono semplicemente
delle catene di
molecole che
si
ripetono.
L’uomo ha imparato a costruirne in laboratorio (i più
famosi sono le
plastiche).
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Nano-schermi ultrapiatti
Una nuova tecnologia sta prendendo piede per la visione delle immagini: nel futuro saranno sempre più
diffuse le televisioni a OLED. Gli OLED (Organic Light
Emitting Diode) si ottengono
sovrapponendo più strati di
film sottili di polimeri conduttori (per uno spessore totale di 500 nm al massimo).
Si possono così costruire
schermi sottilissimi, flessibili e compatti, che permettono una visione eccellente consumando pochissima energia.
Le vernici nanocomposite
L
e nanopolveri disperse all’interno di vernici ne migliorano le proprietà: ad esempio le
nanoparticelle di silossano nelle vernici acriliche le rendono fino a 10 volte più resistenti ai
graffi e all’usura. Sono inoltre applicabili su molte superfici (legno, carta, plastica e metallo)
e assorbono i raggi UV. Infine rendono la superficie su cui sono stese più stabile, duratura e
persino resistente alla fiamma. Nanoparticelle di biossido di titanio od ossido di zinco, insieme
all’argento, permettono invece di creare vernici resistenti ad attacchi di muffe, funghi e batteri;
ricercatori della Phillips University di Marburg (Germania) hanno scoperto che queste vernici
possono rendere inattivo persino il virus responsabile della temibile SARS (Sindrome Acuta Respiratoria Severa).
La vernice trasparente nanostrutturata
(a destra) permette di resistere meglio
ai danni esterni rispetto a una vernice
convenzionale (a sinistra). Può essere una
vernice permanente oppure un prodotto
da applicare temporaneamente.
Vernici mangiasmog
Vernici speciali contenenti nanoparticelle ceramiche o nanotubi
di carbonio sono usate per le automobili: oltre ad avere una
maggiore brillantezza, resistono meglio a graffi e usura.
Sono state sviluppate vernici
nano in grado di assorbire fino al
23% dell’ossido di azoto prodotto
dai gas di scarico delle automobili. Nanoparticelle di biossido di
titanio e carbonato di calcio del
diametro di 30μm permettono la
“fotocatalisi”: luce e aria attivano
l’ossidazione e la conseguente
decomposizione di sostanze inquinanti e tossiche (come il famoso PM10) in sostanze innocue
come il calcare.
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Gli adesivi
U
n’applicazione importante delle nanotecnologie sono colle e adesivi. La miniaturizzazione delle strutture di queste sostanze permette di avere particelle molto piccole con una
grande superficie di contatto rispetto al loro volume, garantendo così una maggiore capacità
di aderire ad una superficie e di fissare tra loro due materiali.
Ricercatori dell’Università di Manchester
hanno realizzato un potentissimo adesivo, copiato dalle microstrutture delle
zampe del geco, un rettile capace di
camminare su muri verticali, anche
molto lisci. Le sue zampe sono dotate di milioni di minuscoli pedicelli, in
grado di legarsi a qualsiasi superficie
grazie a legami tra le molecole. Se applicato su un guanto, questo “adesivo
geco” permetterebbe alla persona che
lo indossa di rimanere sospeso al soffitto con una mano.
Copiando a livello nano la struttura
del velcro, gli scienziati sono riusciti a
crearne uno molto più leggero e resistente: è composto da nanotubi di
carbonio, fatti crescere verticalmente
su una superficie e con un uncino
all’estremità libera. I singoli uncini
di due superfici si legano tra loro e
questa forza moltiplicata per milioni
di nanotubi rende l’adesione estremamente potente, fino a 3000 volte
quella del velcro tradizionale e con
un potere incollante 30 volte superiore rispetto ai convenzionali adesivi
epossidici.
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LA CONSERVAZIONE
DEGLI ALIMENTI
Packaging ed etichette
Da etichette più complete al controllo costante dell’atmosfera all’interno della confezione,
le nanotecnologie forniscono un valido aiuto alla corretta conservazione del cibo.
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credit Fotolia/al62
Confezioni “intelligenti”
L
e nanotecnologie ci aiutano a conservare gli alimenti nel migliore dei modi e a controllare il
loro stato. Come si è visto nel precedente capitolo le nanoparticelle di argento in un polimero
che contiene alimenti preservano la confezione dalle muffe.
Molto di più può essere fatto grazie alle nanotecnologie, ad esempio si parla di:
Active packaging = miglioramento delle proprietà estetiche dell’imballaggio, maggiore
protezione meccanica, migliore risposta a radiazioni elettromagnetiche, comunicazione
delle caratteristiche del prodotto
Intelligent Packaging = capacità di registrare l’invecchiamento, la contaminazione e le alterazioni del contenuto con sensori molecolari
Inchiostri nanostrutturati = si possono stampare sulla confezione molte più informazioni
rispetto agli attuali codici a barre, come l’intera filiera del prodotto, indicatori di prezzo e di
stato di conservazione dell’alimento, leggibili con speciali lettori.
Molte altre possibilità si stanno sviluppando per permettere un confezionamento dei prodotti,
in particolare alimentari, per fornire al cliente non solo la massima protezione ma anche la
massima garanzia riguardo a origini, freschezza e stato di conservazione del prodotto.
Si parla già anche di microchip e display incorporati nelle confezioni per trasmettere ogni tipo
di informazioni.
Gli imballaggi “intelligenti” possono
cambiare colore a seconda delle caratteristiche del prodotto, ad esempio
se la plastica si colora di blu vuol dire
che la confezione è danneggiata.
Indicatori intelligenti di temperatura e freschezza possono segnalare lo stato del
prodotto. Può essere notificato anche un
cambiamento della composizione dell’atmosfera nella confezione a causa di un
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danneggiamento. Gli indicatori possono
addirittura rilasciare dosi di conservanti in
casi di deterioramento registrato con biosensori (electronic tongue) tramite “biointerruttori” ottenuti grazie alle nanotecnologie.
Etichette parlanti
G
li RFID (Radio Frequency Identification) Tags sono circuiti integrati di dimensioni micrometriche (10-6m) incorporati in supporto polimerico e dotati di circuito di trasmissione radio,
così piccoli che possono essere inglobati nel prodotto (ad esempio nella carta o nei gioielli) e
immagazzinare molte informazioni (come i microchip degli animali).
Etichetta elettronica: con le nuove
tecnologie può essere ridotta a
dimensioni inferiori alla capocchia
di uno spillo e contenere molte più
informazioni di una normale etichetta
stampata
Grazie ai Tags RFID l’etichetta con
tutte le informazioni può comparire
direttamente sul cellulare
Le Nanobarcode particles (NBCs), o
codici a barre nano, sono formate da
microscopiche strisce metalliche di
argento e oro alternate, differenti per
larghezza e composizione
Le SENSER Tags sfruttano nanoparticelle di 25-50 nm, che formano un
nucleo metallico, circondato da uno
strato di diverse molecole attive nel
cosiddetto spettro Raman (reagiscono
a fasci di luce fornendo dati nello
spettro luminoso) e da un guscio di
vetro.
Birra fresca più a lungo!
credit http://www.nanocor.com/
Speciali cristalli prodotti dalla ditta Nanocor inseriti nella plastica
delle bottiglie per la birra, ne prolungano la conservazione fino
a 18 mesi, garantendo l’integrità dell’aroma. Le bottiglie sono più
leggere, di conseguenza il trasporto è meno costoso e meno inquinante.
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Polimeri biodegradabili
I
l grande problema generato dai rifiuti di plastica, che non si
degradano nell’ambiente in tempi adeguati ed emettono
sostanze inquinanti, ha reso necessario cercare alternative
più sostenibili. Sono nati così i biopolimeri, usati soprattutto
per l’imballaggio dei cibi, in primo luogo l’amido di mais.
Questo presenta però dei problemi: resiste poco all’umidità
e si rompe facilmente. Sono quindi intervenute le nanotecnologie: inserendo delle nanoparticelle di montmorillonite
(un’argilla) nella matrice di amido di mais si risolvono entrambi
i problemi, mantenendo il polimero totalmente biodegradabile,
oltre che più leggero e più resistente alle alte temperature rispetto alle classiche pellicole
trasparenti.
Un bel film!
La produzione di film (intesi come pellicole di materiale) viene influenzata molto positivamente
dalle nanotecnologie. Queste permettono di migliorare la filmabilità (= proprietà di un materiale di essere trasformato in pellicola-film) di molti materiali e quindi di sviluppare pellicole
innovative, ad esempio commestibili o biodegradabili. Queste avranno un costo più basso
di quelle esistenti e buone proprietà meccaniche e di adesione. Inserendo sostanze a base
di fluoro (sempre a livello nano) diventano ottimi protettivi (utili nell’industria tessile e cartaria,
nell’elettronica, per i beni culturali) con elevata oleo e idrorepellenza, resitenza ai raggi UV, a
sollecitazioni termiche e attacchi chimici.
Computer
di nanoplastica
Un film derivato dalla proteina zeina ritarda di
6 giorni la perdita di colore, consistenza e peso
dei pomodori, rispetto a quelli non ricoperti.
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I film sottili nanocompositi (che arrivano
a poche decine di nanometri di spessore) stanno prendendo piede anche
nell’elettronica: il System On Package
(SOP) permette di sostituire il rame con
materiali nanocompositi più idonei a
trasmettere diversi tipi di informazioni
(audio, video, comunicazione), ottenendo così chip più piccoli e veloci.
LA PROTEZIONE DELLE SUPERFICI
Trattamenti superficiali
nanostrutturati
Trattamenti a base di prodotti derivati da nanotecnologie permettono una migliore resistenza
e una maggiore durata delle superfici soggette a usura o a stress da contatto con acqua, agenti chimici o batteri.
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Fotolia/Dinadesign
Le Super-superfici
L
a realizzazione di rivestimenti nanostrutturati
con proprietà chimico-fisiche e tribologiche potenziate, permette di migliorare molte caratteristiche dei materiali su cui sono applicati. Si elencano qui sotto solo alcune di queste proprietà:
• Antiusura e antigraffio (accessori, lenti per occhiali, vetri, componenti in plastica, componenti meccanici, ecc.)
• Anticorrosione (componenti meccanici metallici, utensili, superfici esposte ad agenti atmosferici, serramenti ecc.)
• Lubrificanti solidi (componenti meccanici in applicazioni ad alta velocità: valvole, alberi,
cuscinetti, turbine, ecc.)
• Autopulenti (rivestimenti per superfici vetrose, lunotti e parabrezza ecc.)
• Antiriflesso (rivestimenti per lenti, vetri, barriere termiche ecc.)
• Durezza (rivestimenti per applicazioni meccaniche: stampi, utensili, lame, punte e punzoni, ecc.)
• Estetiche e decorative (aspetto, colorazione, luminosità, brillantezza, ecc.)
• Elettro/foto/termo cromici (rivestimenti per lenti, vetri per aerei, decorazioni luminose,
sensori di temperatura, che cambia colore quando raggiungono una certa temperatura)
• Metalli preziosi (rivestimenti per bigiotteria, gioielleria, posateria, sensori di gas e sostanze tossiche)
• Polimerici (per impermeabilizzazioni, protezioni da agenti chimici aggressivi, trattamenti
antiaderenti)
Polimero visto al microscopio: in alto è evidente la struttura con
proprietà di barriera
Cos’è la tribologia?
È la scienza che studia le proprietà di attrito e usura delle superfici a contatto (tribos in greco significa “sfioramento”) e le migliori soluzioni per la
lubrificazione. La nanotribologia si occupa della scala nanometrica, che
presenta problemi diversi e più complessi.
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Tecniche di copertura
E
sistono diverse tecniche che consentono di depositare uno strato di spessore nanometrico,
di solito metallico o ceramico, su diversi materiali, o addirittura di sovrapporre più strati
nanometrici composti da materiali differenti:
deposizione di vapori o tramite reagenti chimici, che si condensano sulla superficie per
formare un rivestimento continuo;
tecniche al plasma: una scarica elettrica attraversa un gas sotto vuoto e genera un plasma che deposita un sottile strato di materia sulla superficie da trattare; le proprietà di ogni
strato possono essere modificate variando le caratteristiche del plasma;
Thermal Spray Coating: immissione di una miscela di polveri in una miscela di gas ionizzati ad elevata temperatura; i granuli di polvere vengono accelerati fino a una velocità di
400 m/s e spruzzati sul substrato da ricoprire;
Sol-gel è la transizione di una soluzione liquida colloidale (sol) di sali metallici o composti
metallo-organici in un gel, che viene poi depositato ed essiccato sulla superficie; si formano film ultrasottili di materiali ceramici e vetrosi per ricoprimenti di diverse superfici.
Cristallo di un’auto con comportamento idrofobico autopulente grazie
ad un rivestimento nano. Le gocce non aderiscono alla superficie e la
pulizia tramite tergicristallo è molto facilitata (la metà sinistra del cristallo
è stata trattata).
Superficie in acciaio inossidabile ricoperta da una pellicola
resistente all’abrasione tramite sol-gel (in basso); non
vengono lasciati aloni dopo la pulizia.
Cos’è il plasma?
È un gas ionizzato, composto da elettroni e ioni
non legati tra loro. Viene definito “il quarto stato della materia”, poiché ha proprietà diverse
da solidi, liquidi e gas.
Macchina per i trattamenti
col plasma PECVD
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Soluzioni per tutti i materiali
Più resistente della pietra
Corrosione chimica da inquinanti, fratture da escursione termica,
cristallizzazione di soluzioni saline, comparsa di infiltrazioni di
umidità, muschi e alghe: i materiali lapidei sono sottoposti a continui stress che ne minacciano la pur proverbiale resistenza. Le
nanotecnologie possono intervenire in aiuto di marmi, cementi e
pietre naturali, proteggendoli dagli agenti esterni e dall’accumulo
di sporco.
Effetto superidrofobico ed autoSi applicano ad esempio rivestimenti con effetto autopulente (le pulente grazie al rivestimento di
una superficie in pietra
gocce di pioggia scivolano e portano via lo sporco), ma che non
impediscono la traspirazione (come il prodotto Nanoprotect CS®, prodotto da Nanotec Ltd).
Nuovi amici per la pelle
Immagine al microscopio a
scansione molecolare di crosta nappa naturale (a sinistra)
e dopo aver subito trattamenti
al plasma (a destra), si nota la
superficie più omogenea, che
risulta totalmente impermeabile all’acqua e più resistente alla decolorazione per strofinamento, importante soprattutto per
i pellami più delicati, come gli scamosciati.
Proteggere il legno
Il legno è uno dei materiali più usati, dalle costruzioni all’arredamento. I trattamenti introdotti
dalle nanotecnologie ne possono allungare di molto la durata e la stabilità, ad esempio contro l’attacco di muffe, insetti, fuoco e sbalzi termici. Si
tratta inoltre di trattamenti atossici e non inquinanti, a
differenza di quelli attualmente disponibili.
Il prodotto Nanotec®, prodotto dalla Nanophase
Technologies, spruzzato sul legno lo difende a lungo
da parassiti e batteri, grazie a nanopolveri di ossido
di rame e di zinco, capaci di penetrare la struttura porosa del legno.
Il rivestimento AMP® (prodotto da ANC Ltd) ritarda il
Superficie lignea resa idrofobica attraverso depropagarsi delle fiamme, creando un film sottile che
posizione di film sottile tramite plasma: con un
sprigiona
acqua e gas ignifughi in caso d’incendio, ditrattamento di 10 minuti il legno diventa totalmente idrorepellente
minuendo anche la formazione di fumo.
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MIGLIORAMENTO DEI METALLI
Metalli nanostrutturati
e leghe metalliche
Utensili di metallo ricoperti da film sottili di nitruro di titanio (TiN) o di cromo (CrN) tramite trattamenti al plasma aumentano di
molto la propria resistenza e hanno una vita utile fino a tre volte superiore rispetto a metalli non trattati.
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credit: Fotolia / Les Cunliffe
Supermetalli
A
ttraverso le nanotecnologie
si possono migliorare alcune
proprietà dei metalli, in particolare
delle leghe metalliche, controllandone la composizione e la struttura a scala atomico-molecolare.
Si agisce sulle proprietà meccaniche (resistenza, elasticità, duttilità)
e sulle caratteristiche funzionali (resistenza alla corrosione, proprietà elettriche e magnetiche,
ecc.). Si ottengono così metalli compatti e leggeri, resistenti al calore e all’usura: talmente efficienti da essere chiamati super metalli.
Le nanopolveri metalliche sono impiegate come materiale di
partenza per ottenere metalli e leghe con caratteristiche particolari, ma anche disperse in soluzioni e matrici per rendere
più resistenti altri materiali.
credit http://www.nanocor.com/
Come si producono le nanopolveri?
S
i producono con metodologie top-down,
macinando polveri metalliche più grandi
(ball milling): con questa tecnica si ottengono
leghe, ad esempio quelle a base di alluminio
o titanio, usate nella componentistica aerospaziale o in articoli sportivi. Altrimenti si possono
usare le tecniche bottom-up: per evaporazione
termica, bombardamento di particelle (sputtering), tecniche chimiche, metodi laser (si spara
un raggio laser su un gas o un solido, creando
dei nuclei intorno ai quali si formano le polveri,
modificando la miscela di gas e altri parametri si
possono controllare composizione e dimensioni
delle nanopolveri).
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Macchinario per pirolisi laser di agenti
gassosi
PULIZIA E RESISTENZA
Trattamento di vetri e ceramiche
Per diminuire la manutenzione di grandi superfici in vetro, queste si possono rendere autopulenti grazie a soluzioni nanotecnologiche. Anche proprietà come l’isolamento termico e la resistenza ai graffi possono essere migliorate.
credit: Fotolia/Scanrail
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Ricoprimenti tuttofare
L
e nanotecnologie applicate a vetri e ceramiche includono trattamenti superficiali, creazione
di nanostrutture e dispersione di nanoparticelle nella matrice per migliorarne le caratteristiche.
Il ricoprimento della superficie vetrosa, ad esempio con film sottili, permette di aumentare la
resistenza, ma anche altre proprietà:
antiriflesso (lenti di telecamere, macchine fotografiche, occhiali)
isolamento termico (finestre, caminetti, stufe)
antigraffio (cristalli delle automobili, lenti degli occhiali)
antibatteriche (contenitori per alimenti o usati in medicina o in laboratori di analisi)
antigraffiti (cristalli dei mezzi pubblici, vetrine)
anti appannamento (lenti degli occhiali, specchi di bagni e piscine)
antighiaccio (cristalli di automobili e aerei)
La chiesa Dives in Misericordia, a Roma, è stata costruita
con uno speciale calcestruzzo
di Italcementi (a marchio TX
Active ®) ad azione fotocatalitica: grazie alle proprietà di
autopulizia della superficie,
mantiene inalterate nel tempo le qualità estetiche degli
edifici.
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Vetri autopulenti
S
i usano sempre più spesso ricoprimenti a base di nanoparticelle di diossido di titanio (TiO2),
che rompono i legami chimici dei materiali organici che si depositano sulla superficie. In
questo modo viene facilitata la rimozione dello sporco, ad esempio da parte di vento e pioggia che portano via le particelle depositate, le quali non riescono ad aderire alla superficie.
Queste superfici si asciugano anche più velocemente, perche l’acqua forma uno strato molto
sottile e scivola via in fretta, senza formare legami con il materiale rivestito. Tali proprietà sono
state riprese dalla natura, in particolare dalla pianta del loto, che si mantiene continuamente
asciutta e pulita grazie alla microstruttura della superficie fogliare.
Il loto, pianta acquatica
famosa per il suo splendido fiore, presenta delle
minuscole protuberanze
sulla superficie delle
foglie, che ne aumentano
la rugosità e impediscono
alle gocce d’acqua di
aderire. L’acqua scivola
via dalle foglie e trascina
con sé le particelle di
sporco, lasciando la
superficie libera e pulita,
pronta ad accogliere
tutta la luce solare per la
fotosintesi
Schema del comportamento superidrofobico autopulente, che imita l’effetto loto su superfici artificiali, grazie a ricoprimenti nanotecnologici. Tale tecnologia può essere applicata a
superfici di vetro, come ad esempio i box doccia o le vetrate degli edifici, in modo da mantenerle sempre pulite e senza aloni o depositi di calcare, ma anche ai pannelli fotovoltaici
per migliorarne l’efficienza grazie all’eliminazione dello sporco.
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Applicazioni
L
e possibili applicazioni di queste tecnologie sono numerose: una delle più importanti è la possibilità di produrre protesi con vetri speciali, che creano legami con le cellule
dell’organismo, senza essere rigettati come materiali estranei, grazie al ricoprimento della
superficie con strati inerti e asettici (biocompatibilità).
Specchio, a destra
parte trattata con film
sottile con proprietà
anti appannamento
I ricoprimenti ceramici su substrati metallici combinano la resistenza a usura e corrosione dei
materiali ceramici con la duttilità e la tenacità tipiche dei metalli.
Il DLC (Diamond Like Carbon) viene usato per parti meccaniche in movimento che devono resistere all’usura e avere un basso fattore di frizione, come alberi di trasmissione dei motori, componenti aeronautiche, pompe idrauliche e punte degli utensili o lame dei coltelli da cucina.
Ricoprimenti in SiOx (ossidi di silicio) conferiscono proprietà anticorrosive, antigraffio o anallergiche. Evitano l’ingiallimento e l’iridescenza di componenti a contatto con le fiamme (quali
bruciatori e griglie).
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TESSUTI IPERTECNOLOGICI
Nanofibre e rivestimenti
Qualunque tessuto può essere reso superidrofobico coprendolo con un rivestimento nanotech, che può essere distribuito
anche attraverso una bomboletta spray.
credit: Fotolia/Guido Vrola
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Fibre nano
S
i riescono ad ottenere fibre di polimeri sottilissime (da 10 nanometri ad alcuni micron) ma
abbastanza robuste per essere utilizzate. Il procedimento si chiama elettrofilatura (electrospinning in inglese): una siringa del diametro inferiore al millimetro lancia un getto di materiale polimerico carico elettricamente attraverso un campo magnetico, che lo allunga e lo
solidifica.
Le applicazioni tecnologiche sono numerose: dai filtri protettivi (contro polveri, batteri, virus e
agenti inquinanti) a membrane, da materiali per protesi a tessuti per l’abbigliamento tecnico.
Fibre di Nanoceram®
Filtri a cartuccia plissettati, contenenti Nanoceram®
Le fibre di Nanoceram ® sono fibre di allumina (AlOOH) create dall’azienda americana Argonide. Hanno le dimensioni di una molecola di DNA, con diametro di circa 2 nanometri. Sono
eccellenti chemioassorbenti di metalli pesanti (mercurio, piombo, cadmio, uranio, ecc.) e possono quindi essere usate in filtri e catalizzatori. Grazie alle dimensioni ridottissime, queste fibre
possono intercettare microparticelle di metalli pesanti, che se rilasciate in atmosfera potrebbero essere molto pericolose per l’uomo.
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Tessuti e indumenti interattivi
La miniaturizzazione sempre più spinta dei dispositivi elettronici permette di inserirli anche
negli indumenti, senza diminuirne comfort, eleganza e vestibilità. Il giubbotto interattivo qui
sotto presentato ha molte applicazioni derivate dalle nanotecnologie; permette di ascoltare
musica e telefonare, ma riesce anche a mantenere costante la temperatura corporea. Al suo
interno contiene:
- antenne per trasferimento dati
- unità di controllo digitali
- fonti di alimentazione di energia: batterie, celle solari, generatori termici
- rivestimenti protettivi interni ed esterni
- microfoni, auricolari, segnalatori ottici (led), elementi riscaldanti, refrigeranti, climatizzanti
- sensori di temperatura, gas, pressione, umidità
- interfacce uomo/macchina come attuatori a pressione, piccole tastiere, display
Energia dalle magliette
Convertitori elettromagnetici o piezoelettrici possono essere inseriti in un maglietta grazie alle
nanotecnologie, fornendo energia elettrica grazie al movimento e al calore del corpo.
L’insieme delle tecnologie più all’avanguardia,
comprese le nanotecnologie, porta alla realizzazione di interessanti applicazioni, come il
giubbotto interattivo.
Inserimento di circuiti microelettronici nel tessuto intelligente
Il pavimento intelligente (ricoperto da un tessuto, ad
esempio moquette, con microcircuiti elettronici) può
sentire una caduta e chiamare i soccorsi in caso di
malore, se la persona non si rialza in tempi brevi
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Rivestimenti
A
ttraverso trattamenti al plasma si possono inserire nanoparticelle tra le fibre dei tessuti,
o depositare un film sulla loro superficie. Si ottengono così tessuti con proprietà anti-infeltrenti, idrorepellenti, antistatiche, antimacchia e antipiega, antibatterici e metallizzati, senza
alterare la morbidezza e la comodità degli indumenti. Il tessuto trattato resiste a qualunque
tipo di sporco e dura molto più tempo senza rovinarsi.
Maggiore resistenza all’usura in un tessuto di fibre di vetro
grazie a ricoprimenti superficiali: il campione di sinistra, non
trattato, ha resistito a meno di 100 cicli di test,mentre il campione trattato resiste a oltre 10.000 cicli d’usura
Normale tessuto reso superidrofobico grazie a rivestimenti
nanotech. Non solo il tessuto non si bagna, ma è anche resistente all’umidità (può traspirare) e resiste quindi alle muffe.
Tessuti sottoposti a trattamenti ricoprimenti
superficiali (a sinistra) diventano superidrofobici:
un liquido scorre sulla superficie senza bagnare
il tessuto
La tecnica di rivestimento nanotecnologico si adatta a qualunque tipo di
tessuto, rendendolo totalmente refrattario allo sporco
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LE FRONTIERE DELL’INFORMATICA
Micro e Nano elettronica
La nanoelettronica permetterà di superare i limiti ora imposti dalle dimensioni fisiche dei chip e aprirà nuove possibilità verso
prodotti di dimensioni limitate ma dalle molteplici funzioni
credit: Fotolia/Pitzalis Fabio
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Minuscoli ma più potenti
I
computer sono sempre più potenti, i microprocessori aumentano velocità e performance in
modo esponenziale, pur essendo di dimensioni sempre minori. Eppure la miniaturizzazione
ha portato i componenti informatici a un limite minimo, è difficile ridurre ancora le dimensioni
senza risolvere alcuni problemi come il surriscaldamento dei
circuiti o la difficoltà di saldare i contatti di chip sempre più
piccoli.
Sarà quindi fondamentale usare le nanotecnologie per progredire nella miniaturizzazione dei chip, ad esempio usando
i nanotubi o la capacità di alcune molecole di autoassemblarsi per formare i circuiti desiderati.
Nuovi orizzonti vengono aperti da queste nuove tecnologie,
già si parla di oggetti tecnologici come macchine fotografiche o telefoni cellulari usa e getta, fatti di “carta intelligente”,
Wafer in tecnologia a 90nm
quindi poco costosi da produrre e non inquinanti.
Si illustrano qui a lato
vantaggi e problemi
delle diverse nanotecnologie allo stato
attuale. Molto probabilmente numerosi problemi verranno risolti in
futuro, permettendo
a nuove invenzioni di
prendere forma.
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Veloci e affidabili
Un settore in pieno sviluppo della elettronica d’avanguardia sono i MEMS (Micro Electro Mechanical Systems): dispositivi di grandezza micrometrica in grado di rilevare le grandezze
fisiche presenti nell’ambiente circostante, come temperatura, umidità, sostanze chimiche e
reagire di conseguenza. Ora la nanotecnologia ha creato i NEMS (Nano Electro Mechanical
Systems), con le stesse funzioni, ma di dimensioni nanometriche.
Hanno l’aspetto di un normale chip, ma oltre ai circuiti elettronici contengono anche parti in
movimento, componenti ottiche, componenti chimiche ed elettriche. Sono le più piccole macchine mai costruite dall’uomo!
Vengono utilizzati negli airbag, nei sistemi ABS, negli antifurti, ma anche come sensori: di
pressione degli pneumatici, di sbandamento, di rollio, di vibrazione. Sono il cuore degli stabilizzatori per telecamere e macchine fotografiche.
Esistono anche i sensori ottici (MOEMS = Micro Optical Electro Mechanical Systems), usati ad
esempio nei display dei cellulari, nei videogame portatili e nelle telecomunicazioni.
1
2
3
4
Applicazioni che utilizzano MEMS, in senso orario partendo in alto a sinistra: 1-microspecchi ultrarigidi,
2-microdisplay, 3-microspeakers, 4-sensori di pressione negli pneumatici
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Una carica in più
U
na nuova generazione di batterie potrà nascere grazie alle nanotecnologie: ad esempio
si può migliorarne l’efficienza trattando il catodo con un gel polimerico in cui sono inserite
nanoparticelle di litio. Si può allungare la vita utile delle batterie depositando strati di spessore nanometrico sul catodo (polimero alternato a MnO2, o nanotubi in carbonio) o sull’anodo
(fullereni o nanotubi).
In laboratorio si sono già costruite batterie con densità di energia quattro volte superiore e potenza specifica quasi 6 volte maggiore rispetto ai migliori prodotti attualmente in commercio.
Microbatterie da inserire in più punti dei dispositivi da alimentare possono permettere di raggiungere una maggiore efficienza nell’utilizzo dell’energia. Una pila ricaricabile minuscola e
leggerissima, ma molto potente, posta all’interno di un piccolo pannello fotovoltaico, permette
di avere energia sempre disponibile, ad esempio per un telefono cellulare, ma anche per
nuovi dispositivi come i minuscoli sensori e laboratori nanotecnologici descritti qui sotto.
Microfluidica
Si chiamano “sensori microfluidici”: servono per il trattamento dei fluidi (ad esempio
in pompe, valvole idrauliche,
stampanti a getto d’inchiostro)
con volumi della scala del nanolitro. Vengono molto usati
in medicina, per fluidi come
sangue, soluzioni di proteine e anticorpi, sospensioni di
batteri, ma anche per analisi del DNA o dosaggi di medicinali da
somministrare in bassissime quantità.
Dispositivo microfluidico
Laboratori in un Chip
Esempio di Lab on Chip Affimetrix GeneChip®. Immagine
cortesia di Affimetrix.
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La ricerca ha permesso di sviluppare dei chip
microfluidici, che permettono di analizzare
dei fluidi (sangue, ma anche riconoscimento automatico di precise sequenze di DNA),
chiamati “Lab on a Chip”. Consentono di effettuare analisi cliniche in qualsiasi luogo,
grazie a microtubi che trasportano i fluidi da
analizzare in aree dove avvengono le reazioni chimiche, monitorate da sensori miniaturizzati. I risultati delle analisi vengono elaborati
dal chip e inviati allo schermo dove vengono
visualizzati.
Un nano che diventerà un gigante
L
e nanotecnologie sono forse ancora un campo difficile da comprendere ed esplorare per
la maggior parte delle persone, ma sono una realtà che sta sempre più prendendo piede
in numerose applicazioni, quindi è giusto informarsi e considerarne vantaggi, opportunità e
anche limiti.
L’obiettivo di questa pubblicazione non è quello di fornire dati scientifici o promuovere determinati prodotti, ma semplicemente di invitare gli imprenditori a scoprire un mondo che sta
venendo avanti e che può presentare nuove opportunità. Sarà poi compito degli imprenditori
interessati operare per definire possibili sviluppi che le nanotecnologie possono apportare
nelle loro imprese, cercando i giusti contatti e le informazioni più dettagliate nei molti lavori
pubblicati e siti internet dedicati a questo soggetto.
Il progetto europeo KEEN Regions (http://www.keen-regions.eu) mette ad esempio a disposizione una piattaforma internet che permette di trovare i contatti di ricercatori e imprenditori
coinvolti nel settore delle nanotecnologie e soprattutto di trovare i centri di ricerca adatti a
fornire supporto.
Sito internet del progetto KEEN Regions
KEEN Regions nei suoi tre anni di attività ha riunito tre distretti di nanotecnologia a livello europeo per sviluppare collaborazioni stabili e migliorare lo scambio di conoscenze tra i principali
attori nel campo della ricerca sulle nanotecnologie in Europa. Con l’obiettivo finale di aiutare
l’umanità a fare un altro passo avanti verso il futuro.
33
Partner
I
l progetto KEEN Regions è guidato da Veneto Innovazione e vede come partner altri 10 soggetti provenienti dalle regioni Veneto (Italia), Rhone-Alps (Francia) e Paesi Baschi (Spagna). Il
partenariato comprende centri di ricerca (grandi distretti di nanotecnologie), enti istituzionali
(governi locali) e rappresentanti delle piccole e medie imprese (associazioni di categoria) di
queste tre aree europee. Oltre al capofila Veneto Innovazione, gli altri partner italiani sono la
Regione Veneto, il distretto per le nanotecnologie Veneto Nanotech e il CRACA.
Veneto Innovazione
coordinator
Regione del Veneto
Centro Regionale
di Assistenza per
la Cooperazione
Artigiana
Veneto Nanotech
www.venetoinnovazione.it
www.regione.veneto.it
www.craca.it
www.venetonanotech.it
Sociedad para la
transformación
competitiva
Commissariat à
l’énergie atomique
et aux énergies
alternatives
Fundaciòn
CIDETEC
Centro
de Investigaciòn
Cooperativa
en Nanociencias CIC nanoGUNE
www.cea.fr
www.cidetec.es
www.nanogune.eu
www.spri.es
www.nanobasque.eu
Asociación de
Industrias de las
Tecnologías
Electrónicas
y de la Información
del País Vasco
– GAIA
www.gaia.es
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Minalogic
Partenaires
Ville de Grenoble
www.minalogic.com
www.grenoble.fr
Le informazioni e le immagini (ove non diversamente indicato) sono liberamente riprese e adattate
da “I Quaderni delle Nanotecnologie” editi da Veneto Nanotech. Gli otto quaderni possono essere
richiesti gratuitamente dal sito http://www.venetonanotech.it/it/formazione-divulgazione/quaderni/,97
Si ringrazia Veneto Nanotech per la disponibilità e la gentile concessione di informazioni e immagini.
Per maggiori informazioni sulla presente pubblicazione contattare CRACA Soc. Coop.:
email: [email protected]
telefono: 041-5096614
Liberatoria:
La responsabilità per i contenuti, le informazioni e i punti di vista riportati nella presente pubblicazione è degli autori. I contenuti non riflettono necessariamente il punto di vista della Commissione
Europea, che non ne è in alcun modo responsabile.
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http://keen-regions.eu
Centro Regionale
di Assistenza
per la Cooperazione
Artigiana
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www.craca.it