Funzionalizzazione delle superfici

La funzionalizzazione delle superfici è un passaggio fondamentale per i materiali da utilizzare nelle applicazioni biologiche. Ad esempio, se si ha bisogno di formulare un vettore di farmaci mirato, è assolutamente necessario funzionalizzare la superficie del vettore con molecole recettrici specifiche per le cellule.

La funzionalizzazione delle superfici è il processo di aggiunta di nuove funzioni, caratteristiche, capacità o proprietà a un materiale modificandone la chimica superficiale. È una tecnica fondamentale utilizzata in tutta la chimica, la scienza dei materiali, l’ingegneria biologica, l’ingegneria tessile e la nanotecnologia.

La funzionalizzazione della superfici del materiale include anche l’innesto di molecole ben definite per modificare la reattività della superficie verso specie chimiche specifiche. Ciò comprende anche le proprietà elettrochimiche che sono adattate per applicazioni specifiche come catalisi, batterie, supercondensatori, celle a combustibile, celle elettrochimiche e fotovoltaico organico. La funzionalizzazione conferisce anche proprietà luminescenti a nanostrutture a base di carbonio o consente di legare specie molecolari luminescenti alla superficie del materiale.

Funzionalizzazione delle superfici

La funzionalizzazione delle superfici consiste nel modificare una superficie per conferirle caratteristiche fisiche, chimiche o biologiche diverse da quelle possedute originariamente come bagnabilità, aspetto ottico, riflettività e proprietà di scorrimento.

Attraverso avanzate procedure di modifica delle superfici possono essere modificate, in un’ampia gamma di materiali, le caratteristiche meccaniche, fisico-chimiche ed estetiche. Questo processo di miglioramento delle caratteristiche di una superficie ha un’ampia gamma di applicazioni, tra cui nei campi della medicina, dell’elettronica, dei trasporti e della scienza dei materiali. Può essere utilizzato per migliorare le prestazioni dei materiali in una varietà di applicazioni, come nei sensori, nei catalizzatori e nei sistemi di somministrazione di farmaci

Inoltre, la funzionalizzazione delle superfici può essere utilizzata per conferire caratteristiche specifiche a un materiale, come una maggiore biocompatibilità o una migliore resistenza alla corrosione. Esistono molteplici approcci chimici, fisici e biologici per ottenere la funzionalizzazione delle superfici a seconda del materiale di origine, dell’obiettivo e della durata richiesta della modifica della superficie.

Le procedure di funzionalizzazione delle superfici mediante tecniche fisiche comportano l’uso di metodologie, come calore o pressione, per modificare le proprietà superficiali di un materiale. Ciò può essere eseguito tramite tecniche come la ricottura o la sinterizzazione, trattamento al plasma, la testurizzazione laser e la deposizione fisica da vapore che comportano l’applicazione di calore a un materiale per alterarne le proprietà superficiali.

Un’altra metodologia per la funzionalizzazione delle superfici è la modifica chimica, che prevede l’uso di agenti chimici per alterare le proprietà superficiali di un materiale. Questi processi sono eseguiti tramite l’uso di reazioni chimiche, come l’ossidazione o la riduzione, o tramite l’uso di rivestimenti o pellicole chimiche.

Gli agenti chimici possono reagire con la superficie per formare un legame chimico, che può alterare le proprietà superficiali del materiale. Ad esempio, l’applicazione di un agente chimico idrofobico su una superficie può rendere la superficie più resistente all’acqua, mentre l’applicazione di un agente idrofilo può rendere la superficie più ricettiva all’acqua.

L’ultimo ma non meno importante tipo è la funzionalizzazione delle superfici di tipo biologica che comporta l’uso di agenti biologici, come enzimi o cellule, per modificare le proprietà superficiali di un materiale. Ciò può essere eseguito tramite tecniche come la coltura cellulare, che determina la crescita di cellule su una superficie, o tramite l’uso di enzimi per catalizzare reazioni chimiche su una superficie.

Materiali intelligenti

Gli smart materials o materiali intelligenti sono una classe di materiali in cui una o più proprietà possono essere modificate semplicemente cambiando l’ambiente esterno. Tale modifica delle proprietà dei materiali consente di progettare e fabbricare materiali reattivi che hanno un impatto sul rapido sviluppo sia delle scienze dei materiali che della biomedicina.

Le proprietà dei materiali intelligenti che vanno da materiali organici principalmente nanoparticelle a base di polimeri, inorganici come metalli e ossidi metallici e ibridi sono principalmente associate alla loro capacità di adattarsi ai cambiamenti ambientali esterni, tra cui temperatura, pH, luce, umidità, composizione dei fluidi, al fine di attivare le loro funzioni.

Il potenziale di tali nanomateriali deriva principalmente dalla loro funzionalizzazione delle superfici, che può fornire un miglioramento significativo delle loro proprietà iniziali o progettarne di nuove. La necessità di modificare le proprietà delle nanoparticelle, in modo che potessero soddisfare alcuni requisiti ha portato alla loro funzionalizzazione mediante polimeri che può non solo rendere le nanoparticelle più compatibili con la matrice polimerica ma anche modificarne le proprietà.

La formazione di compositi si basa su diversi tipi di nanoparticelle, come nanotubi di carbonio, grafene, oro e argento, silice e argilla. L’uso di polimeri nella funzionalizzazione consente di fornire un’ampia area superficiale e resistenza meccanica delle nanoparticelle, che si traduce in una maggiore durata e un uso prolungato.

La disponibilità di molti tipi di polimeri consente di poter effettuare una scelta che tenga conto delle proprietà desiderate, a seconda della potenziale applicazione, come, ad esempio, l’adeguata porosità della struttura, la bagnabilità, la stabilità chimica e biologica, la resistenza meccanica e termica, nonché la biocompatibilità o la biodegradazione.

Se la superficie delle nanoparticelle contiene i siti reattivi, è possibile legare direttamente la catena polimerica. Tramite questa procedura si verifica l’immobilizzazione del polimero con gruppi funzionali reattivi e si ottengono caratteristiche rigorosamente definite della superficie delle nanoparticelle.

Tuttavia, questa tecnica non garantisce l’elevata densità di impaccamento dei polimeri sulla loro superficie a causa dell’impedimento sterico dovuto alla presenza di catene polimeriche già legate che inibiscono la diffusione delle altre catene polimeriche vicino ai punti di reazione liberi sulla superficie.

In questo metodo, i polimeri funzionalizzati all’estremità con atomi di zolfo sono indicati per l’attacco covalente di gruppi tioli e disolfuri alle nanoparticelle di metalli nobili attraverso legami metallo-tiolato e gruppi organosolforici a vari metalli, ad esempio argento, oro e rame.

I gruppi tiolici mostrano un’eccellente affinità alla superficie delle nanoparticelle metalliche, in particolare per i legami covalenti con l’oro. Nel caso delle nanoparticelle metalliche esiste anche la possibilità di legare gruppi organici alle superfici attraverso legami covalenti metallo-carbonio utilizzando l’aril diazonio come precursori, legami π metallo-carbene e metallo-nitrene formati tramite derivati ​​diazoici o legami metallo-acetiluro e metallo-vinilidene formati con derivati ​​dell’acetilene.

In letteratura, questa tecnica è spesso chiamata grafting la combinazione di polimeri e nanoparticelle di metalli nobili potrebbe essere utilizzata per imitare le strutture proteiche naturali nei sistemi chimici e di biosensori o nei nanocatalizzatori, ad esempio per la riduzione elettrocatalitica della CO₂, l’ossidazione della CO.

Funzionalizzazione dei nanotubi

I nanotubi di carbonio sono considerati uno dei materiali ideali grazie alla loro elevata area superficiale, all’elevato rapporto di aspetto e alle notevoli proprietà, come la resistenza meccanica e la conduttività termica ed elettrica, per la produzione di materiali compositi di nuova generazione.

Nonostante le loro caratteristiche, tendono ad agglomerarsi a causa della loro struttura chimica intrinseca che ne limita l’applicazione. Tramite la funzionalizzazione delle superfici di tipo chimica, gruppi funzionali organici vengono generati e legati alle superfici e ciò apre la possibilità di personalizzare le proprietà dei nanotubi e di estendere le loro aree di applicazione.

I nanotubi di carbonio funzionalizzati sono stati utilizzati con successo per lo sviluppo di nanocompositi di alta qualità, trovando ampia applicazione come sensori chimici e biologici, in optoelettronica e catalisi. I nanotubi di carbonio funzionalizzati non covalentemente sono stati utilizzati come substrato per l’immobilizzazione di una grande varietà di biomolecole per conferire specifiche proprietà di riconoscimento per lo sviluppo di biosensori miniaturizzati e per la progettazione di nuovi nanomateriali bioattivi.

La funzionalizzazione delle superfici dei nanotubi di carbonio introduce caratteristiche biomediche nei nanotubi e ne migliora anche la solubilità, la disperdibilità e la biocompatibilità, rendendoli candidati ideali per varie applicazioni biomediche, tra cui la biosensoristica e l’imaging biomedico.

I nanotubi di carbonio che hanno subito la funzionalizzazione delle superfici hanno anche dimostrato di essere uno dei nanomateriali più promettenti per la decontaminazione dell’acqua grazie alla loro elevata capacità di adsorbimento e specificità per vari contaminanti e, se specificamente modificati, sono stati utilizzati per l’ingegneria dei tessuti ossei e come un nuovo e versatile veicolo di somministrazione di farmaci.

Applicazioni della funzionalizzazione delle superfici

Le proprietà fisiche delle superfici devono soddisfare i requisiti dell’applicazione.  L’idrofobicità è una proprietà delle superfici che consente loro di respingere i fluidi, nella maggior parte dei casi l’acqua. Con l’aiuto di una modifica superficiale, è possibile modificare l’angolo di contatto della superficie con i fluidi e quindi la bagnabilità complessiva di una superficie.

Questa proprietà idrorepellente conferisce anche la capacità autopulente alle superfici trattate e superfici con tali requisiti sono utilizzate nei settori automobilistico, dei beni di consumo, delle costruzioni e dell’aviazione. La funzionalizzazione delle superfici consente di ottenere materiali che trovano applicazione anche nell’elettronica di consumo, nei sistemi di energia rinnovabile, negli strumenti medici, nei sistemi industriali.

Quando la luce incide sulla superficie di separazione tra due materiali con indice di rifrazione diversi, è riflessa e rifratta simultaneamente. Per evitare questo fenomeno nelle lenti degli occhiali o nei display degli smartphone sono state sviluppate superfici che si basano sulla riflessione e sulla diffusione della luce.

Riducendo la perdita di luce dovuta alla riflessione, è possibile sviluppare superfici con elevata trasparenza che consentono il passaggio della massima quantità di luce. Allo stesso modo, disperdendo selettivamente i riflessi della luce incidente, il contenuto mostrato sullo schermo di un tablet può essere notevolmente migliorato, soprattutto in ambienti luminosi o fortemente illuminati. I rivestimenti antiriflesso, d’altro canto, vengono utilizzati per ridurre la luce abbagliante e ridurre l’affaticamento e la stanchezza degli occhi.

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