Nanoparticelle

Le nanoparticelle (di dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri) sono considerate un ponte tra i materiali sfusi e le strutture atomiche o molecolari. Un materiale sfuso ha proprietà fisiche costanti indipendentemente dalle sue dimensioni, ma spesso questo non è il caso su scala nanometrica.  

Una delle caratteristiche importanti delle nanoparticelle è il loro ampio rapporto superficie-volume (rispetto ai materiali sfusi). Questa proprietà può essere illustrata con un semplice esperimento mentale. Consideriamo un cubo con uno spigolo lungo 1 metro. Se lo tagliassi in due pezzi, creeresti 2 superfici aggiuntive ciascuna con la stessa area di una delle 6 facce originali. Mentre il volume totale è rimasto invariato dopo il taglio, la superficie è aumentata di 33%. Ripeti questo esercizio finché tutte le particelle non raggiungono una dimensione di circa un nanometro. Il risultato è un gruppo di piccole particelle che ha lo stesso volume del cubo originale ma ha una superficie un miliardo di volte maggiore. Esistono nanomateriali che per pochi grammi di materiale hanno una superficie equivalente a un campo da calcio.

L’ampia superficie rende alcune nanoparticelle altamente solubili nei liquidi. Questo comportamento è importante per le applicazioni in vernici, pigmenti, pillole medicinali e cosmetici. Una particella di ferro di 30 nanometri ha 5% dei suoi atomi sulla superficie mentre i restanti risiedono all'interno. Tuttavia, una particella da 3 nm ha 50% dei suoi atomi sulla superficie. Gli atomi sulla superficie (che non sono legati su un lato) sono molto più attivi degli atomi che risiedono all'interno (che sono legati su tutto il perimetro). Un aumento dell'area superficiale generalmente porta ad un aumento della reattività. 

Anche la dimensione delle particelle può influenzare colore del materiale, con applicazioni nella produzione di inchiostri per riviste patinate dove gli accostamenti cromatici sono di grande interesse. Anche le grandi superfici sono attraenti per un processo chiamato assorbimento. L'adsorbimento avviene quando una soluzione gassosa o liquida si accumula sulla superficie di un solido o di un liquido (adsorbente) formando una pellicola di molecole o atomi. Le ampie superfici aumentano l'assorbimento. Questo processo è utile in applicazioni quali convertitori catalitici, dispositivi di purificazione dell'acqua, tecnologie di recupero dei rifiuti e produzione di deodoranti, profumi, vernici e adesivi. 

Una volta prodotte le nanoparticelle, è auspicabile che mantengano le loro piccole dimensioni. Tuttavia, in molti casi, l’agglomerazione di piccole particelle produce ammassi di materiale più grandi. Quando ciò accade, molti dei vantaggi derivanti dall’utilizzo delle nanoparticelle vengono persi. Gli scienziati hanno trovato modi per prevenire l'agglomerazione delle particelle utilizzando tensioattivi (rivestimenti superficiali speciali) che riducono le forze di legame tra le particelle.