Approccio top-down

L’approccio top-down prevede la scomposizione di grandi pezzi di materiale per generare da essi le nanostrutture che utilizza metodi meccanici per frantumare/rompere la massa in più parti e formare nanoparticelle.

L’approccio top-down è altamente costoso e inadatto alla produzione di massa ma adatto per i test di laboratorio. Tale tipo di approccio è di tipo distruttivo e volto a ridurre un materiale in particelle di dimensioni nanometriche sebbene ad esso è correlata l’imperfezione della struttura superficiale. L’approccio top-down impiega spesso strumenti controllati esternamente per tagliare, macinare e modellare i materiali in strutture su scala nanometrica.

Nella sintesi di nanoparticelle i due approcci principali sono noti come top-down e bottom-up. L’approccio top-down rientra principalmente nel metodo fisico della sintesi delle nanoparticelle mentre nella strategia dal botton-up le nanoparticelle sono sintetizzate nel materiale richiesto da molecole più piccole.  La capacità di sintetizzare enormi quantità di materiali è uno dei vantaggi dell’approccio top-down sebbene questo metodo renda difficile il controllo di forma e dimensione

I metodi di approccio top-down più comuni per la sintesi delle nanoparticelle sono la fresatura meccanica, la nanolitografia, l’ablazione laser, lo sputtering o vaporizzazione catodica e la disgregazione termica.

Metodi di approccio top-down

La nanotecnologia ha un grande impatto sulla società moderna e fornisce la soluzione agli attuali problemi industriali, elettronici, di sicurezza nazionale, di distribuzione dei farmaci e ambientali a livello nanometrico. Il fisico americano e premio Nobel Richard Feynman introdusse il concetto specifico di nanotecnologia nel 1959 nel suo discorso durante l’incontro annuale dell’American Physical Society.

I nanomateriali hanno vaste applicazioni in medicina, cosmetici, imballaggi, nanofibre, biosensori ed elettronica nell’attuale area di ricerca e hanno ricevuto un’attenzione significativa per le proprietà magnetiche, catalitiche, meccaniche, ottiche ed elettroniche.  Uno dei fattori dominanti nell’uso dei nanomateriali e nelle loro applicazioni in vari campi è il meccanismo di sintesi e crescita delle nanostrutture e dei nanomateriali.

Si prevede che i progressi nelle tecniche di nanofabbricazione con metodi di approccio top-down porteranno a scoperte tecnologiche tra cui la memorizzazione di ciascun bit di dati in un singolo atomo che potrebbe persino essere in grado di rappresentare una sequenza di 8 bit elaborati come una singola unità di informazione.

Si ritiene che gli sviluppi futuri di nuove tecnologie basate sulla nanofabbricazione porteranno ad applicazioni tecnologiche avanzate in settori quali la nanomedicina con particolare attenzione all’assistenza sanitaria personalizzata, materiali funzionali avanzati con proprietà sintonizzabili, sensori, superfici con proprietà controllate e ottica

Un materiale nanostrutturato potrebbe essere idoneo in un’applicazione ma potrebbe essere più utile in un’applicazione diversa se sintetizzato mediante un meccanismo e una tecnica diversi. Allo stesso modo, la struttura e la morfologia di un nanomateriale dipendono anche dal metodo di crescita e sintesi.

Fresatura meccanica

La fresatura meccanica (MM) è un approccio top-down che ha attirato grande attenzione come strumento per la sintesi di una varietà di materiali tra cui materiali amorfi, quasicristalli, nanodiamanti, nanotubi di carbonio, polveri nanocristalline e materiali nanocompositi. È un processo unico in quanto comporta un’interazione allo stato solido tra le superfici della polvere dei materiali reagenti a temperatura ambiente.

La fresatura meccanica è la tecnica di produzione che utilizza l’approccio top-down più semplice che può essere eseguita con o senza una reazione chimica allo stato solido ed è il metodo più utilizzato per produrre diverse nanoparticelle. Il processo di macinazione meccanica è un processo ad alto impatto energetico, che può essere eseguito in diversi mulini, tipicamente planetari, con l’utilizzo di sfere contenute all’interno

La fresatura meccanica viene utilizzata per la macinazione e la post-ricottura delle nanoparticelle durante la sintesi quando diversi componenti vengono macinati in un’atmosfera inerte. La sintesi meccanica può produrre un’ampia gamma di materiali nanocompositi, compresi rivestimenti spray resistenti all’usura, nanoleghe a base di alluminio, nichel, magnesio e rame e leghe di alluminio rinforzate da ossido e carburo.

Nanolitografia

Lo studio della produzione di strutture su scala nanometrica con almeno una dimensione nell’intervallo di dimensioni da 1 a 100 nm è noto come nanolitografia. I processi nanolitografici includono la litografia ottica, a fascio di elettroni, multifotone, nanoimpronta e con sonda a scansione. Il vantaggio principale della nanolitografia è la capacità di generare qualsiasi struttura, da una singola nanoparticella a un cluster con la forma e le dimensioni desiderate.

La litografia è una tecnica top-down che utilizza un fascio focalizzato di luce o elettroni per trasferire un motivo geometrico da una fotomaschera prefabbricata a uno strato di fotoresist usato in elettronica e nel campo delle nanotecnologie prevalentemente per la produzione di microchip.

Tra le tecniche attraverso le quali è possibile realizzare micro o nanostrutture vi è la fotolitografia ampiamente utilizzata nella produzione di circuiti integrati. Un sistema di fotolitografia è costituito da una sorgente luminosa, una maschera e un sistema di proiezione ottica. I fotoresist sono materiali sensibili alle radiazioni che solitamente sono costituiti da un composto fotosensibile, una struttura polimerica e un solvente.

Sputtering

La polverizzazione catodica è un processo per ottenere nanomateriali per il quale si ha emissione di atomi, ioni o frammenti molecolari da un materiale solido detto bersaglio bombardato con un fascio di particelle energetiche

Lo sputtering è una tecnica per depositare film sottili di materiali diversi come metalli, plastica e ceramica su una superficie. Il processo di sputtering è un processo di deposizione fisica da vapore (PVD) attraverso il quale si depositano materiali su una particolare superficie espellendo atomi da quel materiale con successiva condensazione degli atomi espulsi sulla superficie quando viene mantenuto un ambiente ad alto vuoto.

La polverizzazione catodica può essere eseguita mediante bombardamento ionico energetico di una superficie solida (bersaglio dello sputtering) nel vuoto utilizzando una pistola ionica o un plasma a bassa pressione (< 5  mTorr) dove le particelle spruzzate subiscono poche o nessuna collisione in fase gassosa in lo spazio tra il bersaglio e il substrato. La forma e la dimensione delle nanoparticelle sono determinate dallo spessore dello strato, dalla temperatura e dalla durata della ricottura, dal tipo di substrato.

Le diverse varietà del processo di sputtering derivano da variazioni nella scelta del gas, nella pressione del gas, nel tipo di formazione del plasma e nella modifica del materiale spruzzato nel suo percorso verso il substrato.

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