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. Nel senso più ampio questa definizione può includere mezzi porosi, colloidi, gel, copolimeri e miscele 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.
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. Questi effetti ottenuti nel materiale della matrice, 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.
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.
Nanocompositi nella natura e nella storia 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. 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 testoB.K.G. Theng "Formation and Properties of Clay Polymer Complexes", Elsevier, NY 1979; ISBN 978-0-444-41706-0, sebbene il termine "nanocompositi" non fosse di uso comune.
Nanorinforzi 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 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.
Osservano la figura soprastante, si vede come un cambiamento del diametro della particella, del diametro del materiale fibroso o dello spessore del piattello dalla micro alla nanoscala, porta a un cambiamento nel rapporto S/V da uno a due ordini di grandezza.
È 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:Kamigaito, O, What can be improved by nanometer composites? J. Jpn. Soc. Powder Metall. 38:315-21, 1991 in Kelly, A, Concise encyclopedia of composites materials, Elsevier Science Ltd, 1994 <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, l'interazioni all'interfaccia (parte di composito tra il rinforzo e la matrice) diviene molto maggiore grazie al rapporto molto alto superficie/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; 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. 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.
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).
Classificazione nanocompositi 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 ai metalli e ai composti 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
Introduzione 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. Essi vengono realizzati ad esempio per sopperire alle caratteristiche meccaniche dei materiali ceramici tradizionali. Questi infatti essendo chimicamente caratterizzati da legami di natura ionico/covalente, dunque fortemente direzionali, presentano la problematica di essere materiali fragili. Per questo motivo sono stati tentati miglioramenti attraverso la dispersione di una fase di metallo duttile, di un altro ceramico o di forme allotropiche di carbonio (come nano tubi o “nano sheets” di grafene) nella matrice di partenza, ottenendo per esempio migliori valori di durezza e tenacità.La formazione ad esempio di nanocompositi ceramici/metallici permette l'integrazione di proprietà spesso dissimili dei componenti ceramici e matallici in un singolo materiale, assicurando la possibilità di creare una larga varietà di nuovi materiali data la moltitudine di possibili combinazioni. Tipiche strutture nano cristalline di compositi ceramici sono presentate in figura:
Le strutture più comuni consistono in una matrice con grani di dimensioni del micron con nano particelle disperse all'interno. Le nano dispersioni possono posizionarsi all'interno dei grani della matrice, localizzarsi nei bordi di grano o occupare sia le posizioni inter e intra granulari. Osservando sempre la figura si possono vedere strutture con la presenza di nano strutture a grano allungato, come nano tubi o nano piattelli.
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 oltre che tribologiche, di resistenza alla corrosione e altre di protezione.
Microstruttura - Produzione Quando si producono materiali ceramici con nano polveri o con dispersioni di nano carica all'interno, si ha una variazione delle schede di sinterizzazione (sintering schedule); si necessità cioè il cambiamento della temperatura di sinterizzazione e del tempo di processo per ottenere la densità finale voluta del pezzo. Attraverso l'utilizzo di nano polveri si possono abbassare le temperature di sinterizzazione e permettere, ad esempio nel caso di nanocompositi con nano carica metallica, l'eliminazione del problema della coalescenza delle nano particelle metalliche che si avrebbe sicuramente a temperature di processo maggiori. Lavorando a basse temperature di sinterizzazione si limita anche la crescita secondaria dei grani della matrice ceramica.