NANOSTRUTTURE

NANOSTRUTTURE

In questi ultimi anni il prefisso nano (che anteposto a un'unità di misura ne riduce il valore di 10⁹, cioè alla miliardesima parte; v. unità, Sistemi di, App. IV, iii, p. 730) è stato largamente usato nel campo della tecnica per indicare strutture, materiali, cristalli, fasi, ecc., caratterizzati da dimensioni estremamente piccole, di solito pochi nanometri (1 nm=10⁻⁹ m=1000 μ=0,1 Å). I materiali le cui strutture raggiungono queste dimensioni presentano proprietà e caratteristiche (meccaniche, elettriche, magnetiche, ecc.) quasi sempre superiori a quelle degli stessi materiali con strutture di dimensioni maggiori. Ciò spiega l'interesse suscitato in vari campi della tecnica da questi materiali a nanostruttura. La differenza fra un materiale policristallino normale e il corrispondente nanocristallino sta nella diversa grandezza dei cristalliti, o grani, che li formano e quindi nel diverso rapporto fra il numero di atomi che sono presenti nella struttura ordinata dei cristalliti e quelli presenti ai bordi e fra i cristalliti stessi; tale rapporto è notevolmente diverso nei due casi data la grande differenza di superficie dei componenti strutturali.

È stato calcolato che in un materiale policristallino, formato da cristalliti di 100 nm, la percentuale degli atomi presenti nei bordi intergranulari è dell'ordine di 1÷3% e tale valore sale al 14÷27% se la dimensione dei granuli scende ai 10 nm e arriva al 27÷49% per granuli di soli 5 nm. Poiché c'è diversità di comportamento fra gli atomi disposti ordinatamente, che formano i cristalliti, e quelli che si interpongono ai loro bordi, in distribuzione non regolare, ne deriva il fatto che molte proprietà e comportamenti dei materiali policristallini dipenderanno dalla grandezza dei loro cristalliti componenti.

Così, per es., è stato riscontrato che un biossido di titanio (TiO₂) con granuli di circa 12 nm, può essere sinterizzato a una temperatura di alcune centinaia di gradi inferiore a quella necessaria per sinterizzare l'analogo materiale a granuli più grossi, e senza necessità di intervento di additivi. Differenze sono poi state riscontrate anche nel comportamento dei due prodotti sinterizzati, per es. nella resistenza alla frattura. La più facile sinterizzazione del materiale a nanofase è accompagnata da una più facile deformabilità a caldo e di conseguenza dalla possibilità di una più facile foggiatura allo stato plastico; così, al disotto dei 900°C, il biossido di titanio a nanofase si può foggiare agevolmente in qualsiasi forma, anche con dettagli minuti, e i prodotti così ottenuti risultano privi di fratture, e con caratteristiche elevate, ciò che risulta di notevole interesse per la preparazione di ceramiche avanzate.

Quanto è stato riscontrato per il biossido di titanio e per altri ossidi refrattari (allumina, ecc.) si è trovato anche nel caso di metalli e di leghe. Palladio, ferro, ecc., presentano infatti durezza, carico di rottura, allungamento, più elevati se a n. anziché a grani di dimensioni maggiori.

Risultati notevoli sono stati ottenuti con materiali compositi del tipo ceramica/metallo formati in diverso modo: rinforzando una matrice nanoceramica con fili metallici si ottengono prodotti che presentano caratteristiche meccaniche a elevata temperatura, alla quale invece le caratteristiche meccaniche dei prodotti a struttura normale decadono fortemente (questi compositi vengono denominati talora anche ''superceramiche'' per le loro eccezionali caratteristiche).

Compositi formati da una dispersione di allumina e di carburo di silicio ridotti in polvere finissima, compattati e portati a circa 1600°C, presentano caratteristiche meccaniche superiori a quelle dei singoli componenti, e alcune di queste caratteristiche si conservano anche alle alte temperature. Si è trovato che per ottenere questi compositi con elevate caratteristiche non è necessario che tutto il materiale sia ridotto a nanodimensioni, ma ne può essere sufficiente anche una percentuale modesta, per es. un 5%. Un composito di azoturo di silicio e di carburo di silicio, due prodotti caratterizzati da un'elevata durezza, portato a circa 1600°C presenta un'eccezionale plasticità, tanto che il prodotto può essere stirato a una lunghezza più che doppia di quella originaria. Anche altri compositi ceramici presentano questa particolare plasticità (o superplasticità). I nanocompositi possono essere anche del tipo a strati sovrapposti e alternati, per es. rame-monel, platino-cromo. In queste strutture a sandwich, fra i metalli finisce per formarsi, per diffusione dei due componenti, una lega amorfa che conferisce al prodotto caratteristiche particolari.

Un capitolo recentemente aperto e attivamente studiato è quello dei nanocompositi ceramici/polimeri che dimostrano caratteristiche sorprendenti. Si possono preparare alternando numerosi e sottili strati ceramici (ottenuti per es. mediante sputtering, "spruzzamento catodico") o di silicati (per es., mica) con polimeri, o con monomeri polimerizzabili. In queste condizioni le molecole organiche confinate nel sottilissimo spazio che rimane loro nell'alternarsi dei piani, si comportano in maniera diversa dal solito, presentando una maggiore stabilità all'ossidazione, una difficoltà a subire transizioni per l'impossibilità di ruotare e di variare di volume. Sono stati preparati anche compositi leggeri formati da una matrice polimerica nella quale sono omogeneamente disseminate lamelle di silicati, in piccola quantità (circa 6%), che però risulta sufficiente per migliorare le caratteristiche meccaniche, lasciando praticamente invariate quelle dielettriche, isolanti.

Diversi sono i metodi di preparazione delle materie prime sotto forma di polveri a grani di pochi nm. Il più usato è quello per vaporizzazione del materiale, in una camera ad alto vuoto, mediante riscaldamento (o con altro sistema: laser, sputtering, ecc.) e successiva rapida condensazione del vapore a contatto di una superficie fredda (un cilindro posto al centro della camera contenente azoto liquido); la polvere che vi si deposita, raschiata da un dispositivo meccanico automatico, dopo essere stata raccolta e compattata viene consolidata a temperatura elevata sotto pressione. Il sistema può anche essere migliorato realizzando una circolazione del materiale vaporizzato all'interno della camera e ottenendo così una distribuzione più ristretta delle dimensioni dei granuli e può prestarsi a produzioni orarie maggiori. Un altro sistema è quello della macinazione spinta del materiale, in mulini a palle. Nel caso del silicio e del ferro si è fatto ricorso a un plasma d'idrogeno, a bassa pressione, che consente di produrre granuli di 5÷10 nm, contenenti piccole quantità d'idrogeno.

Un problema complesso è quello del controllo, particolarmente rapido e continuo, del grado di finezza raggiunto nella preparazione, e inoltre quello di riuscire a stabilire le diverse variabili dalle quali, nei singoli sistemi di preparazione adottati, dipende il raggiungimento dei gradi di finezza desiderati. Altro problema è quello di evitare che durante la compattazione delle polveri, per riscaldamento e sotto pressione, si verifichi un loro ingrossamento per effetto della sinterizzazione dei granuli gli uni agli altri; si cerca di operare a temperature le più basse possibili, tenendo presente che l'operazione è facilitata dall'ampio sviluppo superficiale del materiale.

In Giappone e in USA già operano industrie che producono polveri a nanodimensioni, per es. di ossido di alluminio, di titanio, di zirconio, o di metalli (cobalto) o di composti (carburo di tungsteno, ecc.). Compositi ceramici a n. sono già prodotti e usati per diverse applicazioni pratiche. Un composito cobalto/carburo di tungsteno viene impiegato per produrre utensili da taglio. La Corning produce manufatti a elevata cristallinità, multifasi, a grana fina, ottenuti da vetri mediante nucleazione e cristallizzazione controllata. Uno di questi prodotti è costituito da una soluzione solida di granuli di quarzo, da 60 nm, con titanato di zirconio di dimensioni di 5 nm. Il prodotto presenta un bassissimo valore della dilatazione termica. I vetri, che hanno la proprietà di scurirsi alla luce del sole, usati per creare condizioni di comfort negli ambienti, risultano da due fasi, una delle quali è costituita da nanocristalliti di alogenuro d'argento di circa 10 nm.

Tra gli altri prodotti vanno segnalati compositi multistrato con proprietà magnetiche particolari e anche films formati da una sottile matrice metallica, non magnetica, nella quale sono disperse particelle magnetiche sotto forma di nanogranuli.

Bibl.: R. Birringer, H. Gleiter, Nanocrystalline materials, in Encyclopedia of material science and engineering, 1° Suppl., Oxford 1988, p. 339; F. Capasso, Nanoscale and ultrafast devices, in Physics today, febbraio 1990, p. 22; H. Smith, H.G. Craighead, Nanofabrication, ibid., p. 24; R.W. Siegel, Cluster assembly of nanophase materials, in Material science and technology, vol. 15, Weinheim 1991, p. 583; R. Degani, Nanostructured materials promise to advance range of technologies, in Chemical and Engineering News, 23 novembre 1992, p. 18; K.E. Drexler, Nanosystems: molecular machinery, manufacturing and computation, New York 1992.