Nanoparticella

Con il termine nanoparticella si identificano normalmente delle particelle formate da aggregati atomici o molecolari con un diametro compreso indicativamente fra 1 e 100 nm.

Per dare un'idea dell'ordine di grandezza, le celle elementari dei cristalli hanno lunghezze dell'ordine di un nanometro; la doppia elica del DNA ha un diametro di circa 2 nm. La comunità scientifica non ha ancora determinato una misura univoca: possono essere definite misure diverse a seconda se l'approccio è dal punto di vista chimico, fisico, o della biologia molecolare o anatomia patologica. La dimensione minima è quella della molecola oggetto di studio o valutazione.

Il termine è utilizzato correntemente per indicare nanoaggregati, cioè aggregati molecolari o atomici, con interessanti proprietà chimico-fisiche, che possono essere anche prodotti e utilizzati nelle nanotecnologie.

A volte il termine è utilizzato per indicare particolato ultrafine (in particolare le singole particelle discrete componenti le nanopolveri).

Nanosfere o Nanocapsule: In campo farmaceutico, sono sistemi a matrice polimerica impiegati per la veicolazione di principi attivi particolarmente citotossici o con rilevanti problemi farmacocinetici. Attualmente alcune formulazioni sono in fase II di sperimentazione.

I nanocarrier sono utilizzati per un trasporto più efficace di farmaci e vaccini all'interno del corpo.

Introduzione In nanotecnologia, una particella è definita come un piccolo oggetto che si comporta come un'unità intera in termini di suo trasporto e proprietà. Essa viene ulteriormente classificata secondo la dimensione: in termini di diametro, le particelle sottili coprono un campo che va dai 100 ai 2500 nanometri, mentre le particelle ultrasottili, d'altra parte, vengono classificate tra 1 e 100 nanometri. Le nanoparticelle, in modo simile alle particelle ultrasottili, vengono misurate tra 1 e 100 nanometri. Le nanoparticelle possono o non possono mostrare proprietà relative alle dimensioni diversificate significativamente da quelle osservate nelle particelle sottili o nei materiali massicci. Sebbene la grandezza della maggior parte delle molecole rientri in quanto sopra accennato, le singole molecole di solito non vengono classificate come nanoparticelle.

I nanocluster possiedono almeno una dimensione compresa fra 1 e 10 nanometri e una stretta distribuzione dimensionale. Le nanopolveri sono agglomerati di particelle ultrasottili, nanoparticelle, o nanocluster. I nanocristalli della dimensione del nanometro, o le particelle ultrasottili a singolo dominio (single-domain), vengono spesso riferite come nanoparticelle nanocristalline. La ricerca sulle nanoparticelle è attualmente un'area di intenso interesse scientifico dovuto alla vasta varietà di applicazioni potenziali nei campi della biomedicina, ottica ed elettronica. Negli Stati Uniti, la National Nanotechnology Initiative ha elargito un generoso finanziamento pubblico per la ricerca sulle nanoparticelle.

Storia Sebbene le nanoparticelle siano in genere considerate un'invenzione moderna, in effetti esse hanno una storia piuttosto lunga. Le nanoparticelle - delle cui proprietà peraltro non si era perfettamente consapevoli, non nel senso moderno - erano utilizzate dagli artigiani già nel IX secolo in Mesopotamia per generare un effetto scintillante sulla superficie del vasellame.

La ceramica medievale e rinascimentale spesso conserva un caratteristico scintillio metallico color oro o rame. Questo fenomeno è causato da una pellicola metallica applicata sulla superficie trasparente di una vetrinatura (tecnica del lustro). Il lustro può essere ancora visibile se la pellicola ha resistito all'ossidazione e altri degradi atmosferici.

Il lustro scaturiva dalla pellicola stessa, contenente nanoparticelle di argento e rame disperse in modo omogeneo nella matrice vetrosa della superficie di ceramica. Queste nanoparticelle erano create dagli artigiani mescolando sali di rame e argento con ossidi, con l'aggiunta di aceto, ocra e argilla, sulla superficie della ceramica precedentemente smaltata. L'oggetto era poi posto in un forno e riscaldato alla temperatura di circa 600 °C in un ambiente di ossido-riduzione.

Con il calore lo strato di vernice si assottigliava, provocando la migrazione degli ioni di rame e argento verso gli strati esterni della superficie, il cui ambiente di ossido-riduzione riduceva gli ioni di nuovo in metalli che insieme formavano le nanoparticelle che davano l'effetto ottico e il colore.

La tecnica del lustro dimostra che gli antichi artigiani possedevano una conoscenza empirica piuttosto sofisticata dei materiali. La tecnica era originaria del mondo islamico. Dato che i musulmani non permettevano l'utilizzo di oro nelle raffigurazioni artistiche, s'era trovato il modo di ricrearne gli effetti senza usarlo, appunto la tecnica del lustro.

Michael Faraday, nel suo saggio del 1857, fornì la prima descrizione scientifica delle proprietà ottiche dei metalli su scala-nanometrica. In un successivo studio, Turner pose in rilievo che: "è bene sapere che quando foglie sottili di oro o argento sono stese sopra il vetro e riscaldate a una temperatura ben al di sotto del calor rosso (~500 °C), ha luogo un notevole mutamento delle proprietà, per cui la continuità della pellicola metallica è distrutta. Il risultato è che la luce bianca è adesso liberamente trasmessa, la riflessione è allo stesso tempo diminuita, mentre la resistività elettrica aumenta enormemente".

Uniformità

Il processo chimico e la sintesi dei componenti tecnologici ad alto rendimento per settori privati, industriali e militari richiede l'uso di ceramica molto pura, polimeri, vetroceramica e materiali compositi. In corpi condensati formati da polveri sottili, le dimensioni e le forme della particella di una polvere tipica spesso conducono a morfologie di "impacchettamento" (packing) non-uniforme facendo variare la densità nell'agglomerato di polvere.

L'agglomerazione incontrollata di polveri dovuta alle forze attrattive di Van der Waals possono anche portare a un innalzamento nelle disomogeneità microstrutturali. Tensioni differenziali che si sviluppano, come risultato di una contrazione dovuta all'essiccamento non-uniforme, sono direttamente relazionate al tasso in cui il solvente può essere rimosso, e in tal modo fortemente dipendente dalla distribuzione della porosità. Tali tensioni sono associate ad una transizione da plastico-a-friabile in corpi solidificati, e possono far propagare fratture nei corpi raffreddati se non vengono mitigate.

Inoltre, ogni fluttuazione nella densità dell'imballaggio (packing) nell'agglomerato così come viene preparato per il forno è spesso amplificata durante il processo di sinterizzazione, ottenendo un addensamento disomogeneo. È stato dimostrato che alcuni pori e altri difetti strutturali associati alle variazioni di densità giochino un ruolo pregiudizievole nel processo di sinterizzazione accrescendo e perciò limitando le densità finale. Tensioni differenziali che sorgono dall'addensamento disomogeneo si dimostrano essere anche il risultato della propagazione di fratture interne, diventando così la forza che controlla le fessure.

Sarebbe perciò desiderabile processare un materiale in modo tale che esso sia fisicamente uniforme in relazione alla distribuzione dei componenti e della porosità, piuttosto che usare la distribuzione delle dimensioni delle particelle che ne eleveranno al massimo grado la densità verde. Il contenimento di un insieme disperso in modo uniforme di particelle fortemente interattive in sospensione richiede il totale controllo delle forze inter-particelle. Le particelle monodisperse e i colloidi forniscono questa potenzialità.

Le polveri monodisperse di silice colloidale, per esempio, possono dunque essere sufficientemente stabilizzate onde assicurare un alto grado di ordine nel cristallo colloidale o solido colloidale policristallino che risulta dall'aggregazione. Il grado di aggregazione sembra essere limitato dal tempo e dallo spazio concesso per correlazioni a più lungo raggio da stabilire. Tali imperfette strutture colloidali policristalline sembrano essere gli elementi di base della scienza dei materiali colloidali submicrometrici, e, dunque, sono il primo passo per sviluppare un comprensione più rigorosa dei meccanismi coinvolti nell'evoluzione microstrutturale nei materiali ad alto rendimento e componenti.

Proprietà

Le nanoparticelle sono di grande interesse scientifico dato che sono in effetti un ponte tra materiali grossolani e le strutture atomiche o molecolari. Il materiale di grandi dimensioni avrebbe proprietà fisiche costanti rispetto alla sua dimensione, ma sono spesso osservate le proprietà dipendenti dalla dimensione su scala del nanometro. Le proprietà dei materiali mutano non appena si avvicinano alla scala nanometrica quando la percentuale di atomi della superficie del materiale diventa significante.

Per i materiali di dimensioni più grandi di un micrometro (o micron), la percentuale di atomi a livello superficiale è insignificante in rapporto al numero di atomi compresi nella massa complessiva del materiale. Le interessanti e talvolta inaspettate proprietà delle nanoparticelle sono tuttavia dovute più che altro alla grande area di superficie del materiale, che prevale sui contributi apportati dalla piccola massa del materiale.

Un eccellente esempio di ciò è l'assorbimento della radiazione solare da parte delle cellule fotovoltaiche, molto più alta nei materiali composti di nanoparticelle rispetto agli strati sottili che costituiscono i pezzi continui di materiale. In questo caso, le particelle più sono piccole, più grande è l'assorbimento solare.

Altri mutamenti di proprietà dipendenti dalla dimensione includono il confinamento quantico nelle particelle dei semiconduttori, la risonanza plasmonica di superficie in alcune particelle metalliche e nel superparamagnetismo in materiali magnetici. Ironicamente, i mutamenti nelle proprietà fisiche non sono sempre desiderabili. Materiali ferroelettrici più piccoli di 10 nm possono mutare la loro direzione di magnetizzazione utilizzando energia termica a temperatura ambiente, rendendoli perciò inadatti per l'immagazzinamento dati.

La sospensione di nanoparticelle è possibile poiché l'interazione della sua superficie con il solvente è abbastanza forte da superare la differenza di densità, che diversamente risulta di solito in un materiale che affonda o galleggi in un liquido. Le nanoparticelle possiedono spesso anche inaspettate proprietà ottiche poiché esse sono abbastanza piccole da confinare i loro elettroni producendo effetti quantici. Per esempio le nanoparticelle d'oro in soluzione appaiono di una colorazione che va dal rosso cupo al nero.

Le nanoparticelle hanno un'area di superficie molto ampia in rapporto al volume, fornendo così una tremenda forza trainante per diffusione, specialmente ad elevate temperature. La sinterizzazione può avere luogo a temperature più basse, su scale di tempo più brevi rispetto alle particelle più grandi. Questo teoricamente non intacca la densità del prodotto finale, sebbene le difficoltà del flusso e la tendenza delle nanoparticelle ad agglomerarsi complica la faccenda. L'ampia area di superficie in rapporto al volume riduce anche il punto di fusione incipiente delle nanoparticelle.

Per di più, si è scoperto che le nanoparticelle trasmettono alcune proprietà aggiuntive in diversi prodotti di uso quotidiano. Per esempio la presenza di particelle di diossido di titanio trasmettono ciò che si chiama effetto auto-pulente. Si è scoperto che le particelle di ossido di zinco hanno la proprietà, di gran lunga superiore a masse più grandi, di bloccare i raggi UV. Questa è una delle ragioni perché vengono spesso utilizzate nella preparazione di lozioni per creme solari.