NANOTECNOLOGIE

• Cosa sono

• Quando sono nate

• Campi d’applicazione

• Centri di ricerca

Cosa sono???

Il termine Il termine nanotecnologie fu nanotecnologie fu coniato nel 1976 da coniato nel 1976 da Eric Drexler…Eric Drexler…

e indica la capacità di e indica la capacità di studiare, assemblare studiare, assemblare e manipolare la e manipolare la materia a livello di materia a livello di dimensioni comprese dimensioni comprese tra 1tra 1÷100 ÷100 nanometri.nanometri.

Ma cos’è un nanometro???

Un nanometro è la miliardesima parte del metro!!!

Per fare un esempio:

è come confrontare un millimetro con la distanza tra Milano e Taranto!!!

NanoscienzaPunto di incontro tra fisica

quantistica, chimica supramolecolare e biologia molecolare

Scienza sperimentale: applicazione tecnologica delle nanoscienze per ”manipolare” oggetti di dimensioni nanometriche a vari scopi ed in vari campi, come vedremo in seguito, fra cui la costruzione di macchine molecolari

Nanotecnologia

Macchine molecolariSono sistemi costituiti da un numero discreto di componenti molecolari capaci di compiere movimenti meccanici sotto l'azione di stimoli esterni• Chimici (differenze di pH,

concentrazione)

• Luminosi

Sono sistemi formati da molecole assemblate artificialmente dall’uomo che hanno la capacità di interagire per raggiungere un obbiettivo.

Macchine artificiali

Macchine naturaliSono sistemi molto complessi dati

dall’associazione naturale delle molecole e capaci di

compiere importanti funzioni vitali.

Alcuni esempi di componenti molecolari…

Fullerene: Il C60 è costituito da 12 pentagoni e 20 esagoni, con ciascun pentagono circondato da cinque esagoni. Questa rappresenta la molecole più simmetrica possibile nello spazio euclideo tridimensionale, essendo “la più rotonda” delle molecole rotonde.

… ancora esempi!!!

Nanotubi: sono strutture in carbonio di un nanometro dotate di straordinarie proprietà elettriche. Grazie ai nanotubi si potranno costruire computer velocissimi e superpotenti.

…altri esempi…

Rotaxano: è costituito da un frammento molecolare lineare ("asse") che s'infila all'interno di un sistema ciclico ("anello" o "ruota"), alle estremità dell'asse molecolare, si possono inserire, due stopper (“mozzi”) che permettono al frammento ciclico ("ruota"), di non sfilarsi.

Bottom Up o Top Down???

Due sono le strade seguite per operare a livello nanometrici.“top down”: ridurre con metodi fisici le dimensioni delle strutture più piccole verso livelli nano.

““bottom upbottom up”: partire da piccoli ”: partire da piccoli componenti, normalmente componenti, normalmente molecole, per realizzare molecole, per realizzare nanostrutture sia di tipo nanostrutture sia di tipo inorganico che inorganico che organico/biologico. È la strada organico/biologico. È la strada che porterà a maggiori risultati.che porterà a maggiori risultati.

APPLICAZIONI

delle

NANOTECNOLOGIE

Settori di applicazione:

• Tessile• Dei materiali• Sanitario e Chirurgico• Sicurezza• Cosmetico• Elettrico• Artistico• Informatico• Energetico

CAMPO TESSILE

Tessuti senza pieghe senza macchie

impermeabili traspiranti

Questi tessuti sfruttano l’effetto loto naturale delle piante che si basa sulle forze di coesione tra le particielle:

su superfici lisce, le particelle contaminanti sono spostate solo dal movimento delle goccioline d’acqua.

Su superfici rugose, invece, le particelle contaminanti aderiscono alle goccioline d’acqua, che rotolano via, lasciando la foglia pulita

CAMPO DEI MATERIALI

Solette per riscaldare i piedi costituite dal 90% di aria:

Solette basate di aero gel, gel la cui massa è composta da 90% di aria ad altissimo potere isolante.

Proteggono i piedi dal bagnato, dal sudore e dal freddo isolandoli dall’ambiente esterno.

CAMPO SANITARIO

Cerotti protettivi:

Utilizzando le note proprietà antibatteriche dell’argento, sono in commercio garze contenenti nano-particelle di tale metallo per curare le ferite provocate da ustioni in modo migliore rispetto ai cerotti attuali.

CAMPO DELLA SICUREZZAFilando nanotubi si ottengono fibre per tessuti

più tenaci del filo della tela del ragno:• Fibre di gel di nanotubi:lunghe 100 m, spesse

50 µm, contengono 60 wt% di nanotubi.• energia per rottura 570 j/g• Corde e imbragature di sicurezza• Coperte anti-esplosione per le aree cargo degli

aerei• Giubbotti e schermi anti-proiettile

CAMPO DEI COSMETICI

Creme per protezione solare:

Per avere protezione completa dalla radiazione solare, si usano creme contenenti ossido di zinco nanostrutturato(una sostanza di colore bianco). Usando nanoparticelle, di dimensione 30-60 nm, è stata creata una formulazione che blocca tutti i raggi UV, ma è completamente trasparente alla luce visibile.

CAMPO ELETTRICO

Nanofotonica per la luceL’ azienda Osram sta studiando l’utilizzo dei

nanocristalli per produrre led a basso consumo energetico. Nanoparticelle di metalli (oro e argento…) servono per costituire i colori

NANO ALIENI:fibre di circa 150 nanometri di diametro con particolari proprietà elettriche, ottiche e magnetiche.

Usi:- passaporti e banconote difficilmente falsificabili.-“impronte digitali” negli Indumenti.- codici a barre molecolari.

SICUREZZA

NANO CAR

È costituito da un telaio, assi e 4 ruote di fullerene (Buckyballs).

misura 3-4 nanometri, meno di una catena di DNA.

CAMPO CHIRURGICO

Un nano ago di 8 micron x 200 nanometri può operare su singole cellule senza danneggiarne la membrana.

-Si può operare selettivamente su specifiche regioni della cellula.-Si possono monitorare reazioni chimiche intracellulari in tempo reale.

CAMPO ENERGETICO

-nuove celle a combustibile garantiscono un efficiente immagazzinamento di idrogeno.

-motori molecolari che consumano pochissima energia-Celle fotovoltaiche a basso costo (vernici solari)

Un buon risparmio energetico !

NANO MOVIES

I nano-movies aiuteranno i ricercatori ad analizzare il movimento delle pompe usate per la purificazione e l'analisi del DNA e delle proteine.

-Capacità di catturare nano-immagini ad altissima velocità.

-Risoluzione di 5 microsecondi.

NANO FIORI Ottenuti depositando goccioline di gallio liquido su uno strato di silicio in un forno ad alta temperatura.

Spruzzando sulla superficie così ottenuta un gas contenente metano, questo reagisce con le goccioline di gallio liberando atomi di carbonio che si condensano in forma di nanotubi.

- Hanno proprietà ottiche, elettriche e meccaniche molto complesse.

- Possono costituire rivestimenti impermeabili.

CAMPO INFORMATICO

-Costi inferiori e una definizione altissima.

-Bassissimi tempi di risposta.

Nano schermi:monitor di grandi dimensioni ma totalmente esenti dal fastidioso “effetto ombra”.

CAMPO INFORMATICO

Gli attuali computer sono Gli attuali computer sono destinati a cedere il passo destinati a cedere il passo a strumenti grandi un a strumenti grandi un micron cubo.micron cubo.

Transistor creati a partire da "nanotubi Transistor creati a partire da "nanotubi al carbonio“, 10mila volte più piccoli di al carbonio“, 10mila volte più piccoli di un capello.un capello.

I costi saranno molto ridotti rispetto a I costi saranno molto ridotti rispetto a quelli attuali.quelli attuali.

Ci si appresta a lanciare entro il 2015 un nano-processore per PC (con grandezza pari a 22 nanometri contro i 44/65 nanometri attuali). Queste dimensioni consentiranno di contenere oltre 400 milioni di transistor in un chip capace di girare ad una frequenza di 10 gigahertz.

La pulitura è l’operazione più delicata e rischiosa alla quale può essere sottoposta un’opera d’arte perché è l’unica operazione assolutamente irreversibile…

CAMPO ARTISTICO

Metodi di pulitura:- Agenti chimici - Mezzi meccanici - Detergenti - Agenti biologici

COSA SONO I CHELANTI?

• Sono composti organici che hanno la proprietà di combinarsi in soluzione con ioni metallici polivalenti per formare composti di coordinazione ciclici solubili. I CHELANTI

• Possono essere mono, bi, tri, …polidentati

• Il più usato nel campo del restauro è l’EDTA

EDTA acido etilen-diammino-tetra-

acetico acido

sale bisodico

Determinazione del Ca++

nelle acqueIl Calcio forma con la Calceina un composto di coordinazione o complesso fluorescente che può essere considerato un chemosensore.

L’intensità della fluorescenza è direttamente proporzionale alla concentrazione del calcio e con il metodo della retta di taratura si può risalire alla concentrazione di Ca++ in un campione ad esempio acque minerali

Cos’è la Calceina

• La Calceina è un chelante e questa è la sua formula

Complesso Calcio-Calceina

• Ione Calcio complessato dalla Calceina

Determinazione del Ca++

nelle acque

L’intensità di luce emessa dal complesso Ca++-Calceina può essere misurata con uno spettrofluorimetro, noi abbiamo usato un Perkin Elmer LS-3.

campione Intensità

di emissione in u.a.

ppm ricavati

ppm dichiarati

acqua

a 156,1 163,0 169,0 Uliveto

b 71,0 54,0 42,8 San Benedetto

Retta di taratura Ca++- CA

5 1015

2025

3035

40

y = 6,2733x + 28,625

R2 = 0,9897

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50

microlitri di Ca++ 10^-3 M

inte

nsi

tà i

n u

.a.

Dove si studiano i dispositivi e le

macchine molecolari

Gruppi di ricerca

- Università di Bologna (Prof. Balzani)- Università della California (Prof. J. Fraser

Stoddart )- Università di Edinburgo (Prof. D. Leigh)- Università di Gröningen (Prof. B. Feringa)- Università di Strasburgo (Prof. J.-M. Lehn; Prof.

J.-P. Sauvage)

Nel prossimo futuro le nanotecnologie porteranno certamente cambiamenti nella

nostra vita quotidiana.

La speranza è che gli addetti ai lavori, ma anche le persone “normali”, abbiano la capacità di riuscire a comprendere le

potenzialità di questa nuova scienza che può comportare rischi se usata in modo

indiscriminato.

Un utilizzo consapevole porterà sicuramente benefici per tutti gli esseri viventi che popolano

il nostro pianeta.

IV L 2005-2006

LICEO SCIENTIFICO TECNOLOGICO “L. NOBILI” REGGIOEMILIA ITALY

Gruppi• Gruppo 1:”Cosa sono e quando sono nate?” Borghi, Conforti, Ferrarini, Gianferrari,

Oleari • Gruppo 2:”A cosa servono/campi d’applicazione” De Conti,Bellesia,Ruggeri,Fabbris,Nironi, Baccarini,Fransen,Pagniello • Gruppo 3:”Stato della ricerca/centri di ricerca” Donelli,Orsini,Chierici

• Gruppo 4: “Coordinatori”Bordignon, Ferrari, Lusuardi, Mordacci

… e con la cortese collaborazione della professoressa Paola

Ambrogi

Un particolare ringraziamento

alla Prof. Margherita Venturi e

al Dott. Marco Montalti

Del gruppo del

Prof Vincenzo Balzani

Bibliografia

www.ecplanet.com

www.intercom.publinet.it

www.nanotec.it

www.scienzagiovane.unibo.it

www.tmcrew.com