Nanocomposito

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Un nanocomposito è un materiale solido multifase dove una delle fasi ha una, due o tre dimensioni minori di 100 nanometri (nm), o strutture aventi distanze che ripetono la nano-scala nelle diverse fasi che costituiscono il materiale.[1] Nel senso più ampio questa definizione può includere mezzi porosi, colloidi, gel e copolimeri, ma di solito si intende la combinazione solida di una matrice grossolana (bulk) e la fase (o fasi) nano-dimensionale (-i) che differiscono per le proprietà a causa delle differenze nella struttura e nella chimica. Le proprietà catalitiche, meccaniche, elettriche, termiche, ottiche, elettrochimiche, dei nanocompositi si distinguono nettamente da quelle dei materiali componenti. Sono stati proposti dei limiti alla dimensione di questi effetti[2], <5 nm per l'attività catalitica, <20 nm per rendere soft un materiale magnetico duro, <50 nm per i mutamenti dell'indice di rifrazione e <100 nm per ottenere il superparamagnetismo, irrobustimento meccanico o limitare il movimento della dislocazione della matrice.

I nanocompositi si trovano in natura, per esempio nella struttura della conchiglia di abalone e nelle ossa. L'uso di materiali ricchi di nanoparticelle precede di molto la comprensione della natura fisica e chimica di questi materiali. Jose-Yacaman et al.[3] investigarono l'origine della profondità del colore e la resistenza agli acidi e alla bio-corrosione del colore azzurro Maya, attribuendone la causa al meccanismo delle nanoparticelle. Dalla metà degli anni '50 le argille-organiche di granulometria nanometrica sono state utilizzate per controllare il flusso delle soluzioni di polimeri (per es. come viscosificanti per la vernice) o la costituzione di gel (per es., come sostanza addensante in cosmetica, che mantiene le preparazioni in forma omogenea). Negli anni '70 i compositi di polimero/argilla furono l'argomento di libri di testo[4], sebbene il termine "nanocompositi" non fosse di uso comune.

Dal punto di vista meccanico, i nanocompositi differiscono dai convenzionali materiali compositi a causa del rapporto eccezionalmente elevato di superficie/volume della fase di rinforzo e/o del suo rapporto d'aspetto eccezionalmente alto. Il materiale di rinforzo può essere costituito da particelle (per es. minerali), fogli (per es. ammassi di argilla sfaldata) o fibre (per es. i nanotubi di carbonio o le fibre elettrofilate). L'area di interfaccia tra la matrice e la fase (o fasi) di rinforzo è tipicamente un ordine di grandezza superiore a quello dei materiali compositi convenzionali. Le proprietà del materiale della matrice sono significativamente influenzate in prossimità del rinforzo. Le proprietà del materiale della matrice sono significativamente influenzate in prossimità del rinforzo. Ajayan et al.[1] notano che con i nanocompositi polimerici, le proprietà relative alla chimica locale, il grado della cura del termoindurente, la mobilità e la conformazione della catena polimerica, e il grado della sua disposizione o la cristallinità possono variare in misura significativa e continua dall'interfaccia con il rinforzo nella massa (bulk) della matrice.

Questa grande quantità di area di superficie di rinforzo significa che una quantità relativamente piccola di rinforzo su nanoscala può avere un effetto osservabile sulle proprietà in macroscala del composito. Per esempio, aggiungendo nanotubi di carbonio si migliora la conduttività termica ed elettrica. Altri tipi di nanoparticolati possono migliorare le proprietà ottiche, le proprietà dielettriche, la resistenza al calore o le proprietà meccaniche come la rigidezza, la resistenza meccanica e all'usura e ai danneggiamenti. In generale, il nano rinforzo è disperso dentro la matrice durante la fase di lavorazione. La percentuale in peso (detta frazione di massa) dei nanoparticolati introdotti può rimanere molto bassa (da 0,5% a 5%) a causa della bassa soglia di percolazione del riempitivo (filler), specialmente per riempitivi ad alto rapporto d'aspetto non sferici più comunemente utilizzati (per es. piastrine sottili nanometriche, argille o cilindri di diametro nanometrico, come i nanotubi di carbonio).

Nanocompositi a matrice ceramica[modifica | modifica sorgente]

In questo gruppo di materiali compositi la parte principale del volume è occupata da una ceramica, vale a dire da un composto chimico del gruppo degli ossidi, nitruri, boruri, siliciuri, ecc. Nella maggior parte dei casi, i nanocompositi di matrice ceramica contengono un metallo come secondo componente. Idealmente entrambi i componenti, il metallico e il ceramico, sono finemente dispersi l'un l'altro in modo da ottenere particolari proprietà nanoscopiche. I nanocompositi con queste combinazioni hanno dimostrato un miglioramento delle loro proprietà ottiche, elettriche e magnetiche[5] oltre che tribologiche, di resistenza alla corrosione e altre di protezione[6].

Il diagramma di fase binario della miscela deve essere considerato nella progettazione di nanocompositi in metallo-ceramica e devono essere adottate misure appropriate onde evitare una reazione chimica tra i due componenti. L'ultimo punto è molto importante soprattutto per la componente metallica che può facilmente reagire con la ceramica e perdendo quindi il suo carattere metallico. Questa non è una condizione facilmente rispettata, perché la preparazione del componente ceramico in genere richiede elevate temperature durante il processo. La misura più sicura è quindi quella di scegliere con attenzione il metallo immiscibile e le fasi ceramiche. Un buon esempio di una tale combinazione è rappresentato dal composito ceramico-metallico di TiO2 e Cu, miscele trovate immiscibili in vaste aree del triangolo di Gibbs del Cu-O-Ti[7].

Il concetto di nanocompositi a matrice ceramica è stato applicato anche alle pellicole sottili che sono strati solidi, con spessori che vanno da pochi nm a qualche decina di micron, depositati su un substrato di fondo e che giocano un ruolo importante nella funzionalizzazione delle superfici tecniche. Lo spruzzamento a flusso di gas per mezzo della tecnica a catodo cavo si è rivelata piuttosto efficace nella preparazione di strati nanocompositi. Il processo funziona come una tecnica di deposizione basata sul vuoto ed è associata con tassi di alta deposizione fino a qualche µm/s e alla crescita di nanoparticelle nella fase gassosa. Gli strati di nanocomposito nel campo della ceramica di composizione erano preparati con TiO2 e Cu tramite la tecnica a catodo cavo[8] che mostrava un'alta durezza meccanica, bassi coefficienti di attrito e un'alta resistenza alla corrosione.

Nanocompositi a matrice metallica[modifica | modifica sorgente]

Un altro tipo di nanocomposito è il nanocomposito energetico, generalmente come sol-gel ibrido a base di silice, che, se combinato con ossidi di metallo e polvere di alluminio nanometrica, si possono formare materiali di supertermite.[9][10][11]

Nanocompositi a matrice polimerica[modifica | modifica sorgente]

Definizioni: nel caso più semplice, aggiungendo nanoparticolati in modo appropriato a una matrice polimerica si possono migliorare le sue prestazioni, spesso ad un grado molto drammatico, semplicemente traendo profitto dalla natura e dalle proprietà del riempitivo nanometrico[12] (tali materiali sono meglio descritti con il termine compositi polimerici nanoriempiti[12]). Questa strategia è particolarmente efficace nella realizzazione di compositi ad alte prestazioni, quando è ottenuta una buona dispersione del riempitivo e le proprietà del riempitivo in nanoscala sono sostanzialmente diverse o migliori di quelle della matrice, per esempio, rafforzando una matrice polimerica con nanoparticelle molto più rigide[13][14] di ceramica, argille, o nanotubi di carbonio. In alternativa, le proprietà potenziate dei nanocompositi ad alte prestazioni possono essere dovute principalmente all'elevato rapporto d'aspetto e/o all'alta area di superficie dei riempitivi,[15][16] poiché i nanoparticolati hanno rapporti area di superficie/volume estremamente alti quando viene a realizzarsi una buona dispersione.

La dispersione su nanoscala del riempitivo o la nanostruttura controllata nel composito può introdurre nuove proprietà fisiche e insoliti comportamenti che sono assenti nelle matrici vacanti, cambiando di fatto la natura della matrice originale[12] (Tali materiali compositi possono essere meglio descritti con il termine nanocompositi genuini o ibridi[12]). Alcuni esempi di queste nuove proprietà sono la resistenza al fuoco o il rallentamento della fiamma[17] e la biodegradabilità accelerata.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b (EN) P.M. Ajayan, L.S. Schadler e P.V. Braun, Nanocomposite science and technology, Wiley, 2003, ISBN 3-527-30359-6.
  2. ^ Kamigaito, O, What can be improved by nanometer composites? J. Jpn. Soc. Powder Powder Metall. 38:315-21, 1991 in Kelly, A, Concise encyclopedia of composites materials, Elsevier Science Ltd, 1994
  3. ^ (EN) M. Jose-Yacaman, L. Rendon; J. Arenas; M. C. Serra Puche, Maya Blue Paint: An Ancient Nanostructured Material in Science, vol. 273, 1996, p. 223, DOI:10.1126/science.273.5272.223.
  4. ^ B.K.G. Theng "Formation and Properties of Clay Polymer Complexes", Elsevier, NY 1979; ISBN 978-0-444-41706-0
  5. ^ (EN) F. E. Kruis, H. Fissan; A. Peled, Synthesis of nanoparticles in the gas phase for electronic, optical and magnetic applications – a review in J. Aerosol Sci., vol. 29, 1998, pp. 511–535, DOI:10.1016/S0021-8502(97)10032-5.
  6. ^ (EN) S. Zhang, D. Sun; Y. Fu; H. Du, Recent advances of superhard nanocomposite coatings: a review in Surf. Coat. Technol., vol. 167, 2003, pp. 113–119, DOI:10.1016/S0257-8972(02)00903-9.
  7. ^ (EN) G. Effenberg, F. Aldinger e P. Rogl, Ternary Alloys. A Comprehensive Compendium of Evaluated Costitutional Data and Phase Diagrams, Materials Science-International Services, 2001, ISBN 978-3-932120-25-1.
  8. ^ (EN) M. Birkholz, U. Albers e T. Jung, Nanocomposite layers of ceramic oxides and metals prepared by reactive gas-flow sputtering (PDF) in Surf. Coat. Technol., vol. 179, 2004, pp. 279–285, DOI:10.1016/S0257-8972(03)00865-X.
  9. ^ (EN) A.E. Gash, Making nanostructured pyrotechnics in a Beaker (PDF). URL consultato il 28 settembre 2008.
  10. ^ (EN) A.E. Gash, Energetic nanocomposites with sol-gel chemistry: synthesis, safety, and characterization, LLNL UCRL-JC-146739 (PDF). URL consultato il 28 settembre 2008.
  11. ^ (EN) Kevin R. Ryan, James R. Gourley; Steven E. Jones, Environmental anomalies at the World Trade Center: evidence for energetic materials in The Environmentalist, vol. 29, 2008, p. 56, DOI:10.1007/s10669-008-9182-4.
  12. ^ a b c d (EN) Evangelos Manias, Nanocomposites: Stiffer by design in Nature Materials, vol. 6, 2007, p. 9, DOI:10.1038/nmat1812.
  13. ^ (EN) Y. Mai e Z. Yu, Polymer Nanocomposites, a cura di Y. Mai; Z. Yu, Woodhead Publ., 2006, ISBN 978-1-85573-969-7.
  14. ^ "Polymer-Clay Nanocomposites", T. J. Pinnavaia, G. W. Beall (eds.), Wiley, 2001; ISBN 978-0-471-63700-4
  15. ^ (EN) Arimitsu Usuki, Masaya Kawasumi; Yoshitsugu Kojima; Akane Okada; Toshio Kurauchi; Osami Kamigaito, Swelling behavior of montmorillonite cation exchanged for ω-amino acids by ∊-caprolactam in Journal of Materials Research, vol. 8, 1993, p. 1174, DOI:10.1557/JMR.1993.1174.
  16. ^ (EN) Arimitsu Usuki, Yoshitsugu Kojima; Masaya Kawasumi; Akane Okada; Yoshiaki Fukushima; Toshio Kurauchi; Osami Kamigaito, Synthesis of nylon 6-clay hybrid in Journal of Materials Research, vol. 8, 1993, p. 1179, DOI:10.1557/JMR.1993.1179.
  17. ^ "Flame Retardant Polymer Nanocomposites" A. B. Morgan, C. A. Wilkie (eds.), Wiley, 2007; ISBN 978-0-471-73426-0

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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