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Sintesi

Tesina - Premio maturità  2009

Titolo: Le Nanotecnologie

Autore: Ottone Matteo

Descrizione: una breve descrizione dei caratteri principali delle nanotecnologie

Materie trattate: Fisica,chimica,sistemi,inglese,nano-etica

Area: tecnologica

Sommario: tutte le materie trattate,Dario Narducci,Cosa sono le nanotecnologie istruzioni per luso della prossima rivoluzione tecnologica,illustra il mondo delle nanotecnologie.

Estratto del documento

Le Nanotecnologie

Sommario

1.Cosa sono ................................................. 2

2.Materiali ed approcci ............................... 5

2.1.I fullereni ............................................. 6

3.Prodotti e situazione odierna ................... 8

3.1.Gli OLED ............................................... 9

4.Sviluppo responsabile ............................10

4.1.Nano fa paura? ..................................10

5.There’s plenty of room at the bottom ...14

Bibliografia e sitografia .............................15

Matteo Ottone 5^BT Pagina 1

Le Nanotecnologie

Cosa sono

Nonostante non esista tutt’ora una definizione assoluta per questo ramo delle scienze

applicate con nanotecnologie si intende la capacità di osservare, misurare e manipolare la

materia su scala atomica e molecolare, ovvero su dimensioni di 1-100 nanometri.

Il primo, nel 1959, ad ipotizzare una simile tecnologia fu Richard Feynman (premio nobel per

la fisica 1965). Analizzando la scala che rappresenta le dimensioni di vari oggetti possiamo

notare che il campo di studio delle nanotecnologie è perfettamente compreso tra i livelli

dimensionali utilizzati dalla biologia e appena sopra il campo di studio della chimica.

Piccola cronologia:

1959: there’s plenty of room at the bottom

 1985: scoperta c60

 1986: scanning tunnel microscope(STM)

 1991: scritta IBM con atomi di Xe su un chip

 1992: self assembled monolayers(SAM)

 Sintesi controllata di nano particelle

 1993: machine molecolari,tramite SAM

Matteo Ottone 5^BT Pagina 2

Le Nanotecnologie

Come ci aiuteranno: migliorando l’efficienza dei processi già utilizzati, diminuendo

l’impatto ambientale e il consumo di energia, aggiungendo funzionalità agli oggetti di uso

comune già esistenti, migliorando e rinnovando le tecniche di cura già utilizzate.

Come aiutano in medicina: offrendo gli strumenti per studiare i meccanismi delle malattie

struttura, dinamica e funzione delle singole molecole ), permettendo di dosare

simultaneamente e con grande sensibilità le macromolecole nei tessuti, cellule e fluidi

biologici, permettendo di definire i confini tessutali delle malattie e dando la possibilità di

creare nuovi farmaci o di reinventare altri già esistenti.

Matteo Ottone 5^BT Pagina 3

Le Nanotecnologie

Matteo Ottone 5^BT Pagina 4

Le Nanotecnologie

Materiali e approcci

Questa tecnologia opera in campo multidisciplinare in quanto coinvolge indirizzi quali chimica,

scienze dei materiali, fisica biologia molecolare,ingegneria meccanica, chimica ed elettronica.

Questa multidisciplinarietà comporta la necessità di avere approcci diversi per i diversi settori.

Vi sono 2 tipi di approcci :

Bottom-up: i materiali e i dispositivi sono realizzati da componenti molecolari di cui si

 cerca di controllarne e indirizzarne l’assemblaggio per realizzare nano strutture sia di

tipo inorganico che di tipo organico/biologico.

Top-down: i dispositivi sono fabbricati partendo da strutture macroscopiche che

 vengono ridotte tramite metodi fisici a livelli nanometrici.

In questa branca della scienza non sono tanto i materiali a contare ma le loro dimensioni.

Infatti passando da livelli macrometrici a livelli micrometrici le caratteristiche fisiche e

chimiche del materiale non cambiano(caratteristiche intensive), ma se invece si scende a

livello nano, le cose cambiano, infatti i rapporti tra le forze vengono a modificarsi in quanto

diminuisce drasticamente il numero di molecole ed atomi collegati tra loro, dando quindi una

diversa risposta in termini chimico fisici.

I primi a scoprire questa proprietà furono i vetrai

romani del IV secolo( vedi coppa di Licurgo ), infatti al

contrario dei loro colleghi non inserivano sali colorati,

che avrebbero tolto trasparenza al vetro, ma bensì

della polvere d’oro; recenti test di laboratorio hanno

infatti dimostrato che a livello nanometrico l’oro,

come tutte le altre sostanze,altera in modo evidente

le proprie caratteristiche, cambiando la dimensione

delle particelle cambia anche la lunghezza d’onda della

radiazione visibile che viene assorbita da esse.

Matteo Ottone 5^BT Pagina 5

Le Nanotecnologie

Proprietà utili dei materiali nano tecnologici:

Nano particelle: colore, magnetismo, fluorescenza, solubilità, mobilità nel sistema

 vascolare

Nano tubi: resistenza meccanica, emissione di luce,

 conducibilità

Liposomi: biocompatibilità, mobilità nel sistema vascolare,

 capacità di contenere farmaci od altre sostanze e rilasciale

solo dove necessario.

I fullereni

o

Molecole principe di questa tecnologia sono i fullereni, terza forma allotropica del carbonio,

scoperti nel 1985.

Per avere un’idea della struttura dei fullereni si può pensare inizialmente ad uno strato di

grafite, un piano composto di anelli di carbonio esagonali e piani,quindi ogni atomo, ad

eccezione dei pochi situati ai bordi esterni, è legato ad altri tre atomi con legami la cui

lunghezza è prossima a quella carbonio-carbonio del benzene.

Tra gli atomi di strati diversi non si formano legami e i vari strati vengono tenuti assieme

soltanto da forze deboli.

Cosa succederebbe se un atomo di carbonio venisse espulso da un

anello,e se quindi quell’anello diventasse pentagonale ? La struttura da

piana diverrebbe curva: possiamo prendere come esempio l’idrocarburo

aromatico corannulene, nel quale cinque anelli benzenici contornano un

pentagono,questa molecola non è piana, ma presenta bensì una forma a

scodella. L’espulsione di ulteriori atomi di carbonio provoca un aumento

graduale della curvatura, fino ad arrivare una struttura chiusa simile ad

una sfera.

Matteo Ottone 5^BT Pagina 6

Le Nanotecnologie

Questa molecola sferica, ha 60

vertici e 32 facce,12 pentagoni (

12 pentagoni x 5 atomi

carbonio=60 carboni ) e 20

esagoni( 20 esagoni x 6 atomi di

carbonio=120/2=60 ogni atomo è

condiviso da 2 esagoni, quindi si

deve dividere per 2 ).

Al C , a causa della sua forma che

60

ricorda un pallone da calcio, è

stato dato il nome di

buckminsterfullerene, o più

comunemente buckyballs, in

onore dell’ingegnere architetto e

filosofo Richard Buckminster

Fuller, famoso per le sue cupole

geodetiche.

I derivati del C , aggregati

60

carboniosi che delimitano spazi chiusi, vengono chiamati fullereni.

Fullereni di recente scoperta sono i nano tubi(1990).

va cercata nel fatto che,come il benzene e la grafite, ogni

La ragione della stabilità del C

60

atomo di carbonio essendo legato ad altri 3 atomi è ibridato sp . Il quarto elettrone risiede in

2

un orbitale p,perpendicolare alle superficie della sfera.

Gli orbitali p si sovrappongono a formare una nuvola π fuori e dentro la sfera, come quella che

sta sopra e sotto il piano del benzene.

è l’addizione, non essendoci idrogeni da sostituire, che subentra

La reattività specifica del C

60

nei legami 6-6 ( condivisi tra 2 esagoni adiacenti) poiché sono più corti di quelli 5-6(condivisi

tra un esagono e un pentagono) e quindi più simili ad un doppio legame.

La scoperta dei fullereni e la loro manipolazione ha permesso di aprire migliaia di nuove

possibilità in tutti i campi della chimica, dalla farmaceutica all’industriale; si è arrivati alla

creazione di nuovi polimeri, materiali capaci di condurre l’elettricità e di immagazzinare

energia, strutture che racchiudono atomi di altri materiali o sostanze,che possono essere gas o

solidi, scoperta che potrebbe portare allo sviluppo di farmaci personalizzabili e indirizzabili nel

zona interessata.

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Le Nanotecnologie

Prodotti e situazione odierna

Sono già molti i prodotti sul mercato che sono stati creati tramite l’utilizzo delle

nanotecnologie , e il loro numero è in costante crescita, per parlare in termini numerici si

possono già elencare più di 800 prodotti destinati al consumo personale.

Tra essi possiamo citare le nano particelle per cosmetici o per coatings e vernici, tessili

tecnici e abbigliamento, articoli sportivi, ma anche nano compositi, hard disks con superfici

nano strutturate per registrazione di dati ad alta densità e velocità, chips di memoria con

dimensioni inferiori ai 100 nm, dispositivi fotonici,superfici autopulenti, sistemi per

diagnostica medica basati sul principio “lab-on-chip” .

Per citare uno dei campi in cui le nanotecnologie sono già utilizzate

da qualche anno è la microelettronica dove vengono utilizzate

tecnologie planari, processi fotolitografici portati a livello di fascio

di elettroni o raggi x tramite la metodica del bottom-up, per creare

circuiti integrati per computer ed altri dispositivi elettronici.

Per i prossimi 5 anni, nonostante secondo la regola dei 20 anni

dovremo aspettare ancora prima

del vero boom nano tecnologico,

sono attesi anche sistemi

avanzati per la somministrazione

mirata di farmaci, protesi mediche più resistenti e con

migliorata biocompatibilità, materiali avanzati ed innovativi

per la produzione, il trasporto e lo stoccaggio di energia. I

principali campi in cui si prevede un forte incremento

dell’utilizzo delle nanotecnologie negli anni a venire sono :

materiali, elettronica, farmaceutica, processi chimici,

aerospazio, cura della salute, utensili, processi sostenibili.

Altrettanto importanti, infatti, sono le ricadute positive delle nanotecnologia sull’ambiente.

Il loro utilizzo infatti può essere determinante per lo sviluppo di nuovi processi

produttivi,più efficienti e meno inquinanti, con minor consumo di materie prime, per la

creazione di energia pulita e rinnovabile e di nuovi sistemi di disinquinamento.

Matteo Ottone 5^BT Pagina 8

Le Nanotecnologie

Gli OLED

o

OLED (Organic Light Emitting Diode) è un

modo nuovo di generare luce, utilizzando

materiali organici invece della complessa

struttura cristallina su cui si basano i

tradizionali LED (Light Emitting Diode).

La struttura convenzionale di una cella

OLED consiste di una pila di strati di

materiale organico compresi fra un anodo,

trasparente, e un catodo metallico (oppure

nella struttura con emissione superiore, da

un catodo semitrasparente e un anodo

metallico). Gli strati organici sono uno

strato per l’iniezione delle lacune, uno

strato per il trasporto delle lacune, uno strato emettitore e uno strato di trasporto degli

elettroni . Quando è applicata una tensione (alcuni

volt) alla cella, le cariche iniettate, positive e

negative, si ricombinano e si produce luce

(elettroluminescenza). La struttura degli strati

organici e di anodo e catodo è progettata al fine di

massimizzare il processo di ricombinazione nello

strato di emissione e, in definitiva, il flusso luminoso

in uscita. Con una opportuna scelta dei materiali

costituenti i vari strati, l’intera struttura può avere lo

spessore di un decimo di mm.

Possono essere utilizzati come schermi per

elaboratori, televisori e quindi riprodurre immagini,

ma un altro grande utilizzo è quello diretto all’illuminazione. Una grande

caratteristica degli OLED è la loro flessibilità.

Matteo Ottone 5^BT Pagina 9

Le Nanotecnologie

Sviluppo responsabile

• Si sta assistendo ad una sempre

crescente offerta al consumatore di

prodotti nano tecnologici non dichiarati

e non controllati incorrendo quindi in

una dispersione di nano particelle

nell’ambiente.

Una condizione essenziale perché le

aspettative positive riposte nelle

nanotecnologie si realizzino veramente,

è che gli eventuali rischi e le implicazioni

etico - socio-economiche associate ad

esse siano valutati tempestivamente e

ridotti al minimo.

Questo richiederebbe la definizione di

una nuova terminologia chiara e

condivisa, un approccio proattivo alla

gestione del rischio, un eventuale revisione delle legislazioni esistenti, la cooperazione e

il coordinamento tra i vari organismi pubblici, industria e ricerca a livello nazionale ed

internazionale.

Tutto ciò va completato con una informazione ed un dialogo con il pubblico corretti ed

affidabili, che rassicurino e prevengano l’insorgere di pregiudizi, quindi cercando di

evitare fenomeni di disinformazione dove vengano comunicati solamente gli errori o gli

incidenti, anche se si tratta solo di casi isolati.

Nano fa paura?

o

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16 pagine