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Angela Agostiano
Università degli
Studi di Bari
Dipartimento di Chimica Nanolab
DALLE MOLECOLE ALLE NANOTECNOLOGIE
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cosa significa essere un chimico….
studiare le molecole
capirne le interazioni
e la reattività
costruirle e modificarle
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mettere a punto nuove e sempre più sofisticate vie di sintesi per
costruire molecole di varie forme e dimensione con le più svariate
funzioni.
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ricercare e sviluppare materiali funzionali
S D
Gas o Vapore
dielettrico G
Substrato conduttore
Materiale
organico
Film sensibile
materiali intelligenti per
l'imballaggio, la
conservazione
dell'ambiente e l'energia
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Uno sguardo al passato
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Paleolitico Neolitico Età del Rame Età del Ferro, Età del Bronzo
Note Storiche
Come noto, le ere della
preistoria vengono classificate
associando a lunghi periodi
delle prime civiltà umane i
nomi di materiali come la
pietra, il bronzo o il ferro
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A partire dal 300 a.C. questa convenzione di indicare le ere
dell'umanità usando nomi di materiali viene meno, e si parla più
genericamente di ETÀ ANTICA, MEDIOEVO, ETÀ MODERNA E
CONTEMPORANEA.
Nei nostri giorni l'era che stiamo vivendo è stata più volte identificata
come ERA NUCLEARE, POI ERA SPAZIALE E OGGI COME ERA DI
INTERNET.
Quello che cambia radicalmente nel passaggio dalle ere preistoriche
alla modernità è il rapporto tra materiali e tecnologie.
Fino a poche centinaia di anni fa erano i materiali e la loro più o meno
casuale disponibilità a determinare la possibilità di una tecnologia.
Con la fine del Settecento sono viceversa le tecnologie a guidare la
ricerca e la messa a punto di sostanze caratterizzate dalle proprietà
fisiche e chimiche necessarie allo scopo.
Con gli ultimi anni del XX secolo la nascita delle nanotecnologie
ha dato un ulteriore impulso allo sviluppo di intere nuove classi di
materiali, che sicuramente impatteranno in maniera fondamentale
sulle tecnologie del nuovo secolo.
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definizioni
Scienza dei Materiali
Tecnologia dei Materiali
disciplina che studia le relazioni esistenti fra la struttura e le proprietà di un materiale
progettazione ed ingenerizzazione della struttura di un materiale sulla base delle correlazioni struttura e proprietà
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Struttura
Struttura di un materiale
disposizione dei suoi componenti
interni
Livello atomico: disposizione degli elettroni sui livelli quantici atomici e disposizione degli atomi a formare molecole.
Livello microscopico: organizzazione supra-molecolare dei costituenti il materiale (osservabile con il microscopio).
Livello macroscopico: disposizione di elementi strutturali che possono essere osservati ad occhi nudo o con una lente di ingrandimento
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Proprietà Proprietà di un Materiale
tipo ed ampiezza della risposta a seguito di una specifica sollecitazione
Classificazione Proprietà
• meccaniche
• termiche
• elettriche
• magnetiche
• ottiche
• stabilità chimica
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Livello atomico
Livello molecolare
Livello microstrutturale
Livello macrostrutturale 10-1-1 mm
10-3-10-1 mm
10-6-10-4 mm
10-7-10-6 mm
particelle colloidali
Micro attuatore
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Un sacco di “nano”….
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Organisms
Organs
Cells
Macromolecules
Biopolymers
Atoms & Molecules
INC
RE
AS
ING
LE
VE
L C
OM
PLE
XIT
Y
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SI, MA SENZA ESAGERARE
Ama e ridi se amor risponde
piangi forte se non ti sente
dai diamanti non nasce niente
dal letame nascono i fior
dai diamanti non nasce niente
dal letame nascono i fior.
Via del Campo 1940 -1999
DOMANDA:
CHE DIFFERENZA C’E’ TRA UN ATOMO E UNA MOLECOLA?
RISPOSTA (TRE PAROLE):
il legame chimico
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Il nome Chimica Supramolecolare è stato introdotto nel 1978 da uno
dei suoi fondatori, Jean-Marie Lehn insignito nel 1987 del Premio Nobel.
“così come esiste un campo della chimica molecolare basato sui legami covalenti,
esiste un campo della chimica supramolecolare , la chimica degli assemblamenti
molecolari e dei legami intermolecolari”.
La definizione è stata successivamente riformulata come “ chimica oltre le molecole”
a significare l’esistenza di entità più complesse (supermolecole e supramolecole) che
risultano dall’associazione di due o più specie chimiche tenute insieme da forze
intermolecolari (forze elettrostatiche, legami idrogeno, interazioni di van der Waals, etc.
e più recentemente anche legami dativi-coordinativi) .
Chimica Molecolare
Legami Covalenti
Chimica Supramolecolare
Legami non-Covalenti
Molecole Supermolecole
Supramolecole
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Nanotecnologie naturali
• Fine ultimo delle Nanotecnologie è
quello di fare artificialmente ciò che la
natura fa da sempre, e cioè combinare tra
loro atomi, molecole o piccoli aggregati
di molecole per costruire un dispositivo,
un congegno in grado di eseguire azioni
più o meno complesse.
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Madre Natura: il primo
nanotecnologo in assoluto Frammento di DNA
La doppia elica della vita
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Il primo esempio di nanotecnologie:
La Coppa di Licurgo (IV sec. d.C.)
• Fabbricata dai romani addizionando polvere d’oro al vetro. Fu ottenuto così il vetro dicroico, un materiale che
cambia colore a seconda che la luce venga trasmessa attraverso la sua superficie o riflessa dalla stessa.
Luce riflessaLuce riflessa Luce trasmessaLuce trasmessaLuce riflessaLuce riflessaLuce riflessaLuce riflessa Luce trasmessaLuce trasmessaLuce trasmessaLuce trasmessa
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Altro esempio di
nanotecnologie • Nel XIII secolo i
maestri vetrai tedeschi che lavoravano alla realizzazione delle cattedrali gotiche ottenevano le splendide vetrate colorate disperdendo nel vetro piccole quantità di oro.
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"Ciò di cui voglio parlare è il problema di manipolare e controllare le cose su una piccola scala. Appena accenno a questo, la gente mi parla della miniaturizzazione e di quanti progressi si siano fatti fino a oggi. Mi parlano di motori elettrici grandi quanto l’unghia del vostro mignolo[..]. Ma non mi spaventa affrontare anche la questione finale, cioè se - in un lontano futuro - potremo sistemare gli atomi nel modo in cui vogliamo; proprio i singoli atomi, al fondo della scala!
Richard Feynman: il Padre delle Nanotecnologie
(Premio Nobel per la Fisica nel 1965)
..il 29 dicembre 1959 tenne un famoso discorso
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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 up”: partire da piccoli componenti, atomi o molecole, per realizzare nanostrutture sia di tipo inorganico che organico/biologico. È la strada che porterà a maggiori risultati.
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SINTESI
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Nanochimica
Ideale confronto tra “nanochimica”e “nanofisica” G. A. Ozin Adv. Mater. 1992, 4, 612-649
La nanochimica si puo’ considerare
come un disciplina della chimica che
enfatizza gli aspetti sintetici nella
preparazione di porzioni di materia di
dimensioni nanoscopiche, in una, due
o tre dimensioni.
L’interesse verso tali oggetti nasce dal
fatto che essi esibiscono nuove
proprietà dei materiali, ampiamente
riconducibili alle loro dimensioni.
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TiO2/Ag
TiO2/Fe3O4
CdSe@ZnS
TiO2/Au
Fe3O4
TiO2
CdS
ZnO
ZnSe
Au
ZnO
100 nm PbS
Nanocrystals
“à la carte”
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Organizzazione intracellulare di
nanocristalli di magnetite in
batteri magnetotattici
Particelle di oro ottenute usando
sintesi con lipidi per controllare
la forma e le dimensioni
Colloidal nanoparticles
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Tecniche di caratterizzazione:
• Spettroscopia steady state e time resolved
• FT-IR
• Microscopia a forza atomica (AFM)
• Microscopia elettronica (TEM, SEM)
• Elettrochimica
Applicazioni:
• Catalisi
• Biomedicina
• Fotovoltaico
• Ambiente
• Superfici autopulenti
• Micro e nanoelettronica
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La nano industria
Strumentazione
– Imago Instruments – Atom probe microscope
– Hysitron Inc
– Thermo electron
• Materiali avanzati – 3M
– Cima Nanotech
• Elettronica – Intel
– HP
– Motorola
– IBM
• Biotecnologia – Platypus
– Bioforce Nanoscience
– Ace Ethanol
• Salute – Medtronic
– Boston Scientific
• Energia – Nanodynamics – Fuel cells
– Konarka – Flexible solar panels
– Cymbet
• Defense and security – Detecting explosives and
bio agents
– MIT Institute of Soldier Nanotechnologies
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SETTORE DEI MATERIALI
Marmitte catalitiche nanostrutturate per
convertire i prodotti di combustione delle benzine in
sostanze atossiche.
Nuove generazioni di pneumatici contenenti nanoparticelle in grado di fornire una maggiore resistenza
all’usura insieme a migliori prestazioni, in termini di tenuta di strada, sia in condizioni normali che sul bagnato o sulla neve.
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Studio del processo di vulcanizzazione della gomma
Messa a punto di nuovi materiali per l’ottimizzazione delle prestazioni degli
pneumatici
Caratterizzazione di mescole e correlazione dei dati chimico-fisici con le
prestazioni dello pneumatico
Possibilità di periodi di ricerca presso Bridgestone Technical Center Europe -
Castel Romano (Roma)
Tecniche di caratterizzazione:
•Model Compound Vulcanization
•HPLC – UV e HPLC - MS
•Microscopia a forza atomica (AFM)
•Microscopia elettronica (TEM, SEM)
Nanolab
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Nanomedicina
Curare il cancro con i nanomateriali
Materiali teranostici
Terapia fototermica o
ipertermica.
Solo le cellule effettivamente
malate vengono attaccate.
Riduzione degli effetti
collaterali.
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TiO2 Fe2O3
Terapia
fotodinamica
ipertermia
Heterostructures
In vivo Imaging
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SETTORE 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
tradizionali.
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Company Funds raised
($Milion)
Sector Description
IMMUNICON 86,2 DIAGNOSTIC Screening using
nanoparticles
Quantum dot 44,5 Biomed applications Nanocrystals for
biological assay
Surface Logix 38 Drug discrovery Miniaturized assay
Genicon Science 34 Diagnostic Nanoscale signal
generation and
detection
PicoLiter 27 Diagnostics Picofluidics for
nanoparticles
US Genomics 27 Drug discovery Single molecule
assay
Nanosphere 23,5 Diagnostic Image analysis
Advion Bioscience 15 Drug Discovery Nanoelectronspray
analysis using
biochips
Ferx 15 Drug delivery Drug delivery using
magnetic forces
Nanogram Devices 9,2 Biomed applications Nanomaterials
Top 10 nanobiotech companies based on amount of ventur capitals
raised
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Formazione della coppia buca-elettrone
in seguito a foto-eccitazione:
SC + hν → h+ (BV) + e- (BC)
Quando la luce solare investe un semiconduttore (SC) provoca la
formazione di una buca (h+) e un elettrone (e-). Questo fenomeno può
essere sfruttato per generare una foto-corrente o promuovere la formazione
di specie attive in grado di rimuove lo sporco o inattivare i batteri .
e-
h+
hn
e-
h+
e-
h+
Banda di Conduzione
Banda di Valenza
Nanoparticelle con attività fotocatalitica
(a)
o Stabilità chimica
o basso costo
o Non tossico
o Elevata fotoattività
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Protezione dei beni culturali
Rivestimento a base di TiO2 su Pietra Leccese
Cleaning completo in una settimana
0 7g
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Acqua
3h dark
Sample
TiO2
amoun
t
α (°)
± std
Castin
g
PBLc_1 75 µmol 134
± 6
PBLc_2 50 µmol 132
± 8
PBLc_3 5 µmol 144
± 5
Dip
pin
g
PBLd_1 0.02M 142
± 3
PBLd_2 0.01M 134
± 6
PBLd_3 0.005M 135
± 4
PBL+OL
EA -----
32 ±
9
Pietra Leccese Idrorepellente
Qu
an
tità
di
TiO
2
Maggiore di 140°!
Prevenire
l’assorbimento
dell’acqua
Conservazione dei beni culturali
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Depurazione Acque
Residui di farmaci, pesticidi, idrocarburi, coloranti tessili, e
tanti altri inquinanti organici possono essere distrutti usando i
nanomateriali e la luce del sole
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SETTORE 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 particelle:
su superfici liscie, le particelle contaminanti sono solo spostate dal movimento delle goccioline d’acqua.
su superfici rugose, invece, esse aderiscono alle goccioline d’acqua e rotolano via, lasciando la foglia pulita
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• Rimozione sostanze inquinanti da aria o acqua
• Purificazione di ambienti
• Deodorazione
• Sintesi chimiche
• Materiali autopulenti
• Disinfezione e sterilizzazione di superfici
• Protezione dei beni culturali
Applicazioni
Attività Biocida
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1985-La scoperta del Fullerene
Fullerene
Il C60 è costituito da 12 pentagoni e 20 esagoni, con ciascun pentagono circondato da cinque esagoni. E’ composto da 60 atomi di Carbonio ed ha la stessa geometria di un pallone da calcio. Il diametro è di circa 10 nanometri
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1991-I nanotubi di Carbonio
I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni. Si ottengono unendo esagoni di carbonio arrotolati come una sorta di tappeto e chiuso alle due estremità da mezza molecola di fullerene.
Dotati di caratteristiche eccezionali stanno trovando impiego come incapsulanti di principi chimici fortemente
citotossici nella cura di tumori polmonari.
Sono destinati a emulare, nella realtà, il sommergibile fantascientifico del “Viaggio allucinante”
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fig.1 fig.2
fig.3
Il grafene è la base di tutti i materiali grafitici, infatti: può
essere impilato in grafite (fig.1), arrotolato in nanotubi
(fig.2), o avvolto nel fullerene (fig.3).
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nanotubi Proprietà Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli) Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaio Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del rame Stabilità: resistono fino a 2800°C Future applicazioni
Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte più piccoli di quelli attuali Sonde chimiche: per scansionare le molecole Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani Nanopinze: per afferrare le molecole Nanobilance: per pesare gli atomi Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno
Nanocircuito (IBM)
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SETTORE DELLA SICUREZZA
Filando nanotubi si ottengono fibre per
tessuti più tenaci del filo della tela del
ragno e servono per fabbricare:
• Corde e imbragature di sicurezza
• Coperte anti-esplosione per le aree
cargo degli aerei
• Giubbotti e schermi anti-proiettile
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The chicken wire
molecule
Il grafene è una molecola bidimensionale costituita da uno strato
monoatomico di atomi di carbonio ibridati nella forma sp2: quindi essi sono disponsti a formare esagoni con angoli di 120°. Ciascun atomo è
legato agli altri tre vicini tramite legami covalenti. Questo conferisce un
eccezionale rigidità strutturale.
La molecola è anche chiamata the chicken wire molecule proprio per la
somiglianza con la rete per le gabbie delle galline!
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Il grafene è stato isolato meccanicamente per la prima volta da Andrè Geim e Konstantin Novoselov nel 2004 con la tecnica fortuita dello scotch tape. Infatti usando un normale nastro adesivo e un blocco di grafite riuscirono a isolare il foglio più sottile del mondo, spesso quanto un solo atomo di carbonio e grazie a questa scoperta ricevettero il premio Nobel per la fisica. In realtà essa non è propriamente una scoperta in quanto chiunque potrebbe produrre dei flakes di grafene scrivendo con una comune matita.
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I due fisici russi, però, non
sono stati gli unici ad ideare un
metodo per isolare il grafene.
La scoperta delle enormi qualità
di questa molecola ha dato vita
ad una accanita ricerca a livello
mondiale per scoprire come
ottenere questo materiale in
larga area (superfici di qualche μm2).
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La molecola irreale In passato si credeva che il grafene non potesse esistere. Infatti,
secondo teorie dell’epoca, i cristalli bidimensionali di qualsiasi
materiale erano termodinamicamente instabili. Il grafene, infatti, venne
studiato solo per produrre grafite. In realtà Boehm nel 1962 osservò
sperimentalmente un singolo strato di grafite, che chiamò grafene. La
stabilità del grafene è dovuta all’imbarcamento della molecola,
distribuendosi così lungo i tre piani (x,y,z), nonostante essa sia una
molecola bidimensionale.
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PROPRIETA’
Resistenza meccanica: il
grafene è forte 200 volte
più dell’ acciaio.
Eccellente conducibilità
elettrica: funziona meglio
del rame ed è un
eccezionale conduttore di
calore.
Trasparenza, ma altissima
densità tanto che
nemmeno l’elio, il più
piccolo gas atomico può
attraversarlo. 2600 m2/gr 1 cm3
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IL MATERIALE DEL FUTURO
Già a partire dal 2004 l’Europa ha stanziato un miliardo
di euro per le ricerche sul grafene mentre la Samsung
Advanced Institute of Technology ha già depositato 407
brevetti per il futuro.
Nokia invece, ne ha uno , su una pazzesca fotocamera
con sensore a base di grafene che potrebbe essere
montata sui prossimi dispositivi Lumia.
Inoltre, sono allo studio reticoli di grafene in grado di legare ed immagazzinare idrogeno. Queste caratteristiche superano ampiamente quelle di qualsiasi altra sostanza nota e permettono di pensare a questo materiale come l'elemento che rivoluzionerà il mondo dell'elettronica, del fotovoltaico e delle applicazioni sensoristiche.
C'è anche Directa Plus, una grande compagnia italiana che ha messo a punto
un sistema di produzione a basso costo del grafene.
Quello che già ora possiamo dire è che il grafene permetterà di dar forma a
computer, smartphone e tablet flessibili, cavi di collegamento Internet
estremamente veloci, aerei estremamente leggeri.
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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.
SETTORE DELLA SICUREZZA
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69
realizzare pale più leggere e resistenti nelle turbine eoliche
Il ruolo dello sviluppo di materiali avanzati (e della ricerca di base) nell’intera catena per lo sviluppo di nuove tecnologie eco-sostenibili
CNT: nanotubi di carbonio
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Compositi come materiale strutturale primario
Composites 50%
Aluminum 20%
Titanium 15%
Steel 10%
Other 5%
Carbon laminate
Carbon sandwich
Other composites
Aluminum
Titanium
Titanium/steel/aluminum
Compositi nell’industria aeronautica 2009
Boeing 787
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Compositi nell’industria aeronautica 1981
Boeing 767 materiali convenzionali
materiali compositi
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L’automobile è uno degli esempi più
significativi dell’applicazione di materiali
innovativi:
Dalle vernici protettive con effetti estetici
PIGMENTI
CANGIANTI
All’uso esteso dei materiali compositi
Carrozzeria realizzata
in composito con
matrice polimerica
rinforzata con fibre di
vetro
Dai cerchi in lega leggera con rivestimenti anticorrosivi Ai pneumatici ad alte prestazioni Dal parabrezza multifunzionale
• oscuramento controllato
• autosbrinamento
•Proiezione sul parabrezza del
pannello strumentale
Alla ricerca avanzata su veicoli ad ultrabassa emissione
( motori elettrici e celle a combustibile)
Cella a combustibile
Motore elettrico
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• la FERRARI è un
concentrato di
nanotecnologie:
• Freni in nanotubi di
carbonio
• Iniezione elettronica
digitale
• Scocca in materiale
ultraleggero ottenuto
utilizzando nanotubi
di carbonio
• Pneumatici in
mescola speciale
• e tanto altro.......
La FERRARI
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a time for great things, and a time for
There is a time for some things, and a time for all things;
small things (M. de Cervantes)