Le nanoparticelle sono particelle avente dimensioni microscopiche inferiori a 100 nm utilizzate nell’ambito delle nanotecnologie e costituiscono il raccordo tra i materiali e la struttura atomica e molecolare.
Le nanoparticelle sono classificate come inorganiche, organiche e ibride.
Ottenimento
Per ottenere le nanoparticelle si ricorre a tre metodologie:
1) Metodi meccanici come la tecnica del ball-milling. Essa consiste nel macinare le polveri di un materiale sino a raggiungere le dimensioni nanometriche
2) Metodi chimici che si basano:
- sulla precipitazione di un solido da una soluzione
- la conversione di una dispersione colloidale in un corpo gelatinoso. Questa tecnica sol-gel permette l’ottenimento di materiali a partire da precursori in fase liquida.
I precursori partecipano a reazioni di idrolisi e condensazione per ottenere una soluzione colloidale di particelle solide in fase liquida ovvero un sol.
Quest’ultimo evolve fino alla formazione di un reticolo inorganico continuo. Esso contiene una fase liquida interconnessa definita gel. Per eliminare la fase liquida dal gel e stabilizzare il sistema si procede successivamente a un trattamento termico.
3) Metodi di sintesi ad alta temperatura che comprendono tecniche di evaporazione-condensazione, tecniche di aerosol e sintesi in fiamma
A causa della grande varietà di possibili applicazioni in campo biomedico, ottico e elettronico, le nanoparticelle sono oggetto di una intensa ricerca scientifica.
Sebbene le proprietà di un materiale non varino con la dimensione del materiale stesso, quando si scende nella scala nanoparticellare tale fenomeno non si verifica. Le nanoparticelle infatti occupano una maggiore superficie rispetto alle normali particelle con conseguente maggiore reattività.
Proprietà
Sia le proprietà fisiche che chimiche derivano dall’origine atomica e molecolare in modo complesso. Ad esempio le proprietà elettriche e ottiche e la reattività chimica delle nanoparticelle sono diverse da quelle di un materiale. Sono necessari modelli quantomeccanici complessi per prevedere l’evoluzione di tali proprietà. Esse dipendono dalle dimensioni della particella e occorrono condizioni definite per poter confrontare le previsioni teoriche.
Su scala nanometrica, le interazioni tra le particelle sono dominate da:
- deboli forze di Van der Waals
- interazioni polari ed elettrostatiche
- interazioni covalenti.
A seconda della viscosità e della polarizzabilità del fluido, l’aggregazione delle particelle è determinata dall’interazione interparticellare.
Ad esempio con la modifica dello strato superficiale, la tendenza di un colloide a coagulare può essere migliorata oppure ostacolata.
Per le nanoparticelle sospese in aria, le cariche possono essere accumulate a causa di processi fisici come la scarica luminescente o la fotoemissione. Nei liquidi, la carica delle particelle può essere stabilizzata da processi elettrochimici sulle superfici.
La conoscenza delle forze di interazione tra le nanoparticelle e le interazioni nanoparticelle- fluido sono di importanza fondamentale per descrivere:
- i processi fisici e chimici
- l’evoluzione temporale delle nanoparticelle libere. Esse sono di difficile caratterizzazione a causa della piccola quantità di molecole coinvolte nello strato superficiale.
I parametri importanti da prendere in considerazione sono l’energia superficiale, la carica e la solvatazione.
Le forze di interazione, sia di attrazione che di repulsione fondamentalmente determinano il destino delle nanoparticelle individuali e dei loro aggregati la cui interazione ne influenza il comportamento.
Le nanoparticelle mostrano proprietà fisiche diverse rispetto ai materiali che non si trovano in scala nanoparticellare. Ad esempio il colore delle nanoparticelle d’oro è rosso ed esse fondono a circa 300°C rispetto alla temperatura dell’oro che supera i 1000 °C.
Inoltre le nanoparticelle hanno tendenza a formare sospensioni perché l’interazione tra la superficie della particella e il solvente è sufficientemente elevata da superare le differenze tra le rispettive densità al contrario dei materiali che affondano o galleggiano in acqua.
Caratterizzazione
Per comprendere il comportamento e le potenzialità delle nanoparticelle è necessaria la loro caratterizzazione. Essa è fatta diversamente rispetto ai materiali tradizionali.
I parametri necessari per caratterizzare le nanoparticelle sono infatti:
a) L’area superficiale
b) La solubilità
c) La distribuzione delle dimensioni delle particelle
d) L’aggregazione
e) L’analisi della superficie idratata
f) Il potenziale zeta
g) La bagnabilità
h) Il potenziale di assorbimento
i) La forma e le dimensioni della superficie interattiva
Si ricorre pertanto a svariate tecniche quali:
- microscopia elettronica a scansione SEM
- microscopia elettronica a trasmissione TEM
- U.V
- microscopia a forza atomica AFM
- dynamic light scattering LDS
- raggi X
- spettroscopia di fotoelettroni
- risonanza magnetica nucleare