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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, copolimeri e blend polimerici (miscele tra polimeri differenti), ma di solito si intende la combinazione solida di una matrice grossolana (parte di composito continua che dà forma al materiale) 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.

Rappresentazione di un nanocomposito matrice omogenea con dispersione di anocarica .jpg

Individuando nell’aumentata area superficiale e negli effetti quantistici due dei principali fattori che causano la differenza di proprietà tra i nano materiali dagli altri materiali convenzionali si vede come  i nanocompositi possano sia mostrare proprietà dominate dalle interazioni interfacciali tra la fase rinforzante e la matrice, che esibire i quanto effetti dovute alle strutture nano dimensionali disperse all’interno[2]. Questi effetti ottenuti nel materiale di partenza vengono indicati solitamente con il termine di “nano effetto” che indica cambiamenti nelle proprietà locali della matrice causati dall’estremamente alta area superficiale della carica e delle piccole distanze tra le nano particelle[3].

L’ingegnerizzazione di proprietà permessa dall’accoppiamento della matrice con il nanorinforzo è il fattore chiave che rende questi materiali così importanti e interessanti; la possibilità di combinare le caratteristiche migliori dei singoli materiali tradizionali in uno solo e la capacità di donare nuovi comportamenti a materiali convenzionali è un’idea “futuristica” che attrae fortemente l’industria ed è trainante per sicure ricerche e sviluppi futuri.  Infatti i nanocompositi presentando proprietà uniche, non riconoscibili ad esempio nei materiali compositi convenzionali, sono un importante oggetto di ricerca negli ultimi vent’anni.

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.[4] 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[5], sebbene il termine "nanocompositi" non fosse di uso comune.

Solitamente la struttura dei materiali nanocompositi consiste quindi in una matrice del materiale di partenza contenente i componenti di rinforzo di dimensioni nanometriche sotto forma di particelle organiche e non organiche, lamelle, fibre, nano tubi di carbonio, ecc. Questi nanorinforzi possono essere raggruppati in tre categorie generali:

  • Nano cariche 3D (particelle isodimensionali) come nanoparticelle o nanosfere, le quali sono praticamente equiassiali con diametro <100 nm.
  • Fibre o tubi aventi diametri minori di 100 nm e rapporto di aspetto maggiori di 100.
  • Nano cariche a forma di piattelli, i quali possono essere materiali a strati con spessore tipicamente nell’ordine di 1 nm e rapporto di aspetto nelle altre due direzioni di almeno 25. 
Esempi delle tre categorie di nanocarica.jpg

Nella figura viene mostrato anche il rapporto superficie/volume dei rinforzi; si può notare come un cambiamento del diametro della particella, del diametro del materiale fibroso o dello spessore del piattello dalla micro alla nanoscala porti un cambiamento nel rapporto S/V da uno a due ordini di grandezza[6].

E’ stato dimostrato che il cambiamento voluto di proprietà con queste particelle disperse all’interno si ottiene quando le relative particelle hanno una misura minore di un certo limite critico:[7] <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. Infatti quando le dimensioni arrivano attorno all’intervallo nanometrico le interazioni all’interfaccia (parte di composito tra il rinforzo e la matrice) diviene molto maggiore grazie al rapporto molto alto tra superficie e volume e all’eccezionale rapporto d’aspetto della fase rinforzante (solitamente l’estensione dell’interfaccia nei nanocompositi supera di un ordine di grandezza quella dei compositi convenzionali). Questa ampia area interfacciale comporta che anche una piccola concentrazione di nanofase dispersa può avere immediati effetti osservabili sulle proprietà macroscopiche del composito, e di conseguenza la possibilità di usare basse concentrazioni nanodisperse significano una minore difficoltà di produzione di questi compositi, produzione solitamente invece complicata per i compositi tradizionali. Queste particelle per avere un effetto positivo sulle proprietà della matrice devono essere disperse uniformemente, e questo solitamente è uno dei problemi maggiori nella produzione di questi materiali dato che la dispersione di nanorinforzo all’interno tende ad agglomerarsi. L’effetto di agglomerazione/aggregazione aumenta per maggiori concentrazioni disperse e per minori dimensioni della carica, portando ad avere oltre a una minore concentrazione di carica effettiva all’interno e solitamente anche a un peggioramento di proprietà[8]. Altri fattori importanti sono anche l’individuazione delle corrette concentrazioni e delle opportune grandezze delle nanoparticelle, dato che per entrambi questi parametri esistono dei valori ottimali dipendenti sia dal materiale della matrice sia dalla proprietà che si vuole migliorare[9].

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).

Osservando poi il materiale della matrice  i materiali nanocompositi possono essere divisi in tre differenti categorie:

  • Ceramic Matrix Nanocomposites (CMNC): i ceramici possiedono buona stabilità termica e chimica e una buona resistenza all’usura. L’utilizzo di nanocompositi ceramici permette di aumentare anche le proprietà meccaniche con un incremento della tenacità.
  • Metal Matrix Nanocomposites (MMNC): sono materiali dati da una matrice metallica duttile nella quale sono dispersi i rinforzi nanodimensionali; si combinano solitamente caratteristiche metalliche e ceramiche  in modo da ottenere per esempio duttilità e tenacità accoppiate ad alta resistenza e alto modulo elastico.
  • Polymer Matrix Nanocomposites (PMNC): i polimeri sono apprezzati per la loro facilità di produzione, la loro bassa densità e per la natura usualmente duttile, ma hanno il problema di avere un basso modulo elastico e poca resistenza rispetto metalli e ceramici. L’aggiunta di nanofasi ceramiche e metalliche in una matrice polimerica ha un impatto importante sia sul miglioramento che sulla promozione di nuove caratteristiche rispetto al solo materiale delle matrice plastica; e dato che l’efficienza dei rinforzi è molto elevata si possono disperdere concentrazioni minime all’interno preservando le proprietà tipiche dei polimeri come il basso peso e la duttilità. Questa categoria è quella maggiormente presa in considerazione dai gruppi di ricerca e lo si nota vedendo il gran numero di articoli scientifici pubblicati sull’argomento.

Nanocompositi a matrice ceramica[modifica | modifica wikitesto]

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[10] oltre che tribologiche, di resistenza alla corrosione e altre di protezione[11].

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[12].

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[13] che mostrava un'alta durezza meccanica, bassi coefficienti di attrito e un'alta resistenza alla corrosione.

Nanocompositi a matrice metallica[modifica | modifica wikitesto]

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.[14][15][16]

Nanocompositi a matrice polimerica[modifica | modifica wikitesto]

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[17] (tali materiali sono meglio descritti con il termine compositi polimerici nanoriempiti[17]). 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[18][19] 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,[20][21] 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[17] (Tali materiali compositi possono essere meglio descritti con il termine nanocompositi genuini o ibridi[17]). Alcuni esempi di queste nuove proprietà sono la resistenza al fuoco o il rallentamento della fiamma[22] e la biodegradabilità accelerata.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) P.M. Ajayan, L.S. Schadler e P.V. Braun, Nanocomposite science and technology, Wiley, 2003, ISBN 3-527-30359-6.
  2. ^ Pedro Henrique Cury Camargo, Kestur Gunduppa Satyanarayana, Fernando Wypych, Nanocomposite: Synthesis, Structure, Properties and New Application Oppurtunities, in Materials Research, vol. 12, 2009, pp. 1-39.
  3. ^ D. R. Paul, L. M. Robeson, Polymer Nanotechnology, in Nanocomposites, vol. 49, 2008, pp. 3187-3204.
  4. ^ (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.
  5. ^ B.K.G. Theng "Formation and Properties of Clay Polymer Complexes", Elsevier, NY 1979; ISBN 978-0-444-41706-0
  6. ^ Paola Palmero, Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders’ Synthesis Methods, in Nanomaterials, vol. 5, 2015, pp. 656-696.
  7. ^ 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
  8. ^ Yasser Zare, Study of Nanoparticle Aggregation/agglomeration in polymer particulate nanocomposites by mechanical properties, in Composites, A 84, 2016, pp. 158-164.
  9. ^ Harshit Porwal, Richa Saggar, Peter Tatarko, Salvatore Grasso, Theo Sanders, Ivo Dlouhy, Mike J. Reece, Effect of Lateral Size of graphene nano-sheets on the mechanical properties and machinability of alumina nano-composites, in Ceramic International, 2016.
  10. ^ (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.
  11. ^ (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.
  12. ^ (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.
  13. ^ (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.
  14. ^ (EN) A.E. Gash, Making nanostructured pyrotechnics in a Beaker (PDF), e-reports-ext.llnl.gov. URL consultato il 28 settembre 2008.
  15. ^ (EN) A.E. Gash, Energetic nanocomposites with sol-gel chemistry: synthesis, safety, and characterization, LLNL UCRL-JC-146739 (PDF), e-reports-ext.llnl.gov. URL consultato il 28 settembre 2008.
  16. ^ (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.
  17. ^ a b c d (EN) Evangelos Manias, Nanocomposites: Stiffer by design, in Nature Materials, vol. 6, 2007, p. 9, DOI:10.1038/nmat1812.
  18. ^ (EN) Y. Mai e Z. Yu, Polymer Nanocomposites, a cura di Y. Mai; Z. Yu, Woodhead Publ., 2006, ISBN 978-1-85573-969-7.
  19. ^ "Polymer-Clay Nanocomposites", T. J. Pinnavaia, G. W. Beall (eds.), Wiley, 2001; ISBN 978-0-471-63700-4
  20. ^ (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.
  21. ^ (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.
  22. ^ "Flame Retardant Polymer Nanocomposites" A. B. Morgan, C. A. Wilkie (eds.), Wiley, 2007; ISBN 978-0-471-73426-0

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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