Materiali e produzione

I materiali e la produzione riguardano l'applicazione delle conoscenze relative alla composizione, struttura e lavorazione dei materiali alle loro proprietà e prestazioni nelle applicazioni.

Negli ultimi due decenni ci sono stati progressi significativi nell’uso di materiali compositi in una gamma di applicazioni quotidiane che richiedono materiali con caratteristiche prestazionali superiori. I materiali compositi sono materiali ingegnerizzati costituiti da due o più materiali costituenti con proprietà fisiche o chimiche significativamente diverse. La nanotecnologia è emersa come una tecnologia chiave utilizzata nella fabbricazione di nuove classi di materiali compositi con proprietà e prestazioni notevolmente migliorate.

Sebbene siano ancora utilizzati metodi di fabbricazione “dall’alto verso il basso”, la nanotecnologia ha consentito un approccio “dal basso verso l’alto” per modificare le proprietà dei materiali a livello di nanoscala.

Un metodo classico (“top down”) per la nanofabbricazione è litografia a fascio di elettroni (EBL). Nell'EBL un fascio di elettroni viene scansionato attraverso una superficie ricoperta da una pellicola (chiamata the resistere). Il raggio rimuove selettivamente le regioni esposte o non esposte del resistere. Questo processo si traduce in strutture molto piccole nel resistere che può essere trasferito litograficamente su un altro materiale e utilizzato per creare piccolissimi dispositivi elettronici. EBL può produrre strutture inferiori a 10 nm che possono essere utilizzate in applicazioni come celle solari e altri dispositivi semiconduttori e optoelettronici.

Un altro esempio di metodo per la fabbricazione di nanomodelli viene chiamato litografia con nano-impronte. Si tratta di uno strumento in cui uno stampo principale viene realizzato utilizzando una tecnica seriale come EBL e questo stampo viene stampato in un polimero morbido come il polidimetilsilossano (PDMS). Questo metodo ha raggiunto risoluzioni di 10 nm e può essere utilizzato per realizzare microcanali per dispositivi biomedici e reattori chimici su piccola scala.

Un metodo interessante per formare una nanostruttura periodica dal basso verso l'alto è chiamato autoassemblaggio. L'autoassemblaggio avviene quando determinati atomi, molecole o altre strutture su scala nanometrica sono attratti energeticamente l'uno dall'altro e si uniscono per formare uno schema ripetitivo a livello molecolare. Questa tecnica può essere paragonata a un puzzle che si assembla da solo dopo che i suoi pezzi sono stati mescolati insieme in una scatola. Riesci a immaginare che ciò accada?

Un buon esempio di produzione di una nanostruttura specifica tramite l'autoassemblaggio è fornito da nanotubi di carbonio (CNT). I CNT hanno eccellenti proprietà meccaniche, elettriche e ottiche. A seconda del loro utilizzo, i CNT possono essere prodotti per avere un'elevata resistenza alla trazione e un'elevata conduttività elettrica.

Sono stati recentemente utilizzati per rinforzare e conferire resistenza meccanica a una varietà di compositi polimerici utilizzati come giubbotti antiproiettile, cavi di linee di trasmissione e tessuti. Le proprietà balistiche di trasporto degli elettroni rendono i CNT un materiale interessante per le interconnessioni dei dispositivi nei computer e per gli schermi a cristalli liquidi (LCD).

I nanotubi di carbonio furono sintetizzati per la prima volta dal fisico giapponese Sumio Iijima mentre studiava i depositi lasciati durante la sintesi con evaporazione ad arco dei fullereni (un fullerene è un tipo di molecola di carbonio). Da questa scoperta, i nanotubi di carbonio sono stati sintetizzati controllando le condizioni del processo di evaporazione dell'arco. Oltre a questo metodo di sintesi, i nanotubi di carbonio possono essere fabbricati utilizzando tecniche come lo sputtering, la deposizione di vapori chimici e la deposizione di vapori chimici potenziata dal plasma. In ciascuna di queste tecniche di lavorazione, gli atomi di carbonio si uniscono e si assemblano automaticamente nella geometria di un nanotubo di carbonio.

I materiali ceramici possono anche essere nanostrutturati e, in alcuni casi, mostrano aspetti di autoassemblaggio in determinate condizioni di lavorazione. Generalmente, la ceramica viene lavorata ad alte temperature e viene spesso utilizzata in applicazioni che richiedono materiali in grado di sopravvivere in ambienti estremi.

Sebbene varie ceramiche siano state utilizzate per millenni come materiali da costruzione (come mattoni e blocchi di pietra), i progressi nelle tecnologie di produzione della ceramica hanno portato allo sviluppo di nuove ceramiche tecniche. Questi materiali servono in una gamma di applicazioni moderne che vanno dalla microelettronica agli elettrodomestici da cucina. Ad esempio, questi materiali vengono utilizzati negli isolanti ad alta tensione e come materiali altamente isolanti per le sonde spaziali grazie alle loro eccellenti proprietà termiche ed elettriche. I compositi vetroceramici nanostrutturati vengono utilizzati anche nelle apparecchiature ottiche. Nel complesso, i materiali e le tecnologie di produzione sfruttano la nostra comprensione della scienza dei materiali per produrre materiali nanostrutturati all’avanguardia e relativi dispositivi con bassi costi di produzione e caratteristiche ad alte prestazioni.