Vetro

Vetro

La ricerca di base e tecnologica nel settore del v. ha mostrato un forte sviluppo, con particolare riguardo alle nanotecnologie, ai dispositivi per la fotonica, per la sensoristica, ai biomateriali, ai materiali ibridi, alla vetrificazione di residui industriali con contenuti nocivi e tossici.

Strati vetrosi nanostrutturati

Nel settore delle nanotecnologie i v. risultano particolarmente adatti alla manipolazione della materia su scala atomica e molecolare, con l'obiettivo ultimo di costruire materiali e prodotti che abbiano specifiche caratteristiche chimico-fisiche. Infatti la formazione di nanoaggregati cristallini, tra di loro separati, all'interno di una matrice vetrosa continua, conferisce al materiale che viene ottenuto, indicato con il termine nanocomposito, delle nuove e differenti proprietà fisiche, chimiche, biologiche, meccaniche e ottiche. Di tali nanocompositi a matrice vetrosa si analizzeranno nella trattazione seguente alcune interessanti proprietà e applicazioni.

Strati di vetro contenenti ioni di terre rare. - L'elemento più utilizzato è l'Er (erbio), anche se si realizzano nanoparticelle di Si (silicio) o metalliche, come Ag (argento) oppure Au (oro). Lo ione Er, disperso all'interno di una matrice a composizione di v., possiede la proprietà, se irradiato con una sorgente luminosa, in particolare laser di opportuna frequenza, di emettere luce (fotoluminescenza) nel campo dell'infrarosso, alla lunghezza d'onda di 1,54 μm. Tale valore della lunghezza d'onda si colloca nella cosiddetta finestra ottica, di grande interesse per le future telecomunicazioni su fibra, in quanto in corrispondenza a essa le perdite ottiche vengono minimizzate. Tuttavia l'erbio presenta una bassa efficienza di assorbimento e, di conseguenza, una bassa efficienza di fotoluminescenza. Introducendo nella matrice vetrosa nanostrutture metalliche, oppure di silicio, si determina un fenomeno di trasferimento di energia agli ioni Er, che aumenta di diversi ordini di grandezza l'efficienza di fotoluminescenza. Questi sistemi compositi hanno buone prospettive nel settore dell'amplificazione ottica per applicazioni nel campo delle telecomunicazioni.

Strati di silice porosa con nanoparticelle di ossidi. - L'introduzione di nanoaggregati di specifici ossidi in una matrice di silice porosa (silice a bassa densità) porta alla realizzazione di sensori di gas, vale a dire dei dispositivi idonei a rivelare la presenza di particolari tipi di gas, per il tramite della variazione della resistenza ohmica o delle proprietà ottiche in trasmissione, per esposizione anche a basse concentrazioni, dell'ordine di 10 parti per milione, per es. all'idrogeno o al monossido di carbonio. L'efficienza di questi dispositivi dipende direttamente dalla superficie esposta, e pertanto l'impiego di una matrice porosa e di nanocristalli, che presentano un'elevata area superficiale, rende il dispositivo molto interessante sul piano delle applicazioni.

Strati di vetro contenenti nanoparticelle metalliche. - L'indice di rifrazione n di un materiale, e quindi di un v., determina la velocità v di propagazione della luce nel materiale, mediante la relazione v=c/n, dove c è la velocità di propagazione della luce nel vuoto, pari a 3∙10⁸ m/s. A titolo di riferimento, l'indice di rifrazione di un v. è dell'ordine di 1,5 e dipende dalla sua composizione. Per tale grandezza può scriversi una dipendenza dall'intensità I della luce incidente del tipo n=n₀+v₂I, dove il valore di n₂(indice di rifrazione non lineare) è generalmente trascurabile rispetto a n₀ (indice di rifrazione lineare), e solo per elevati valori di I, che peraltro provocherebbero danni al materiale, fino anche alla sua fusione locale; la velocità della luce nel materiale verrebbe controllata dalla sua intensità. Introducendo nanoparticelle metalliche o semiconduttrici in un v., il valore di n₂ aumenta di vari ordini di grandezza. Allo stato attuale della ricerca, tali aumenti sono dell'ordine di 6÷7; ne consegue la possibilità di un controllo della velocità della luce variandone l'intensità, senza indurre danni sul materiale. Questi risultati hanno un'importante ricaduta tecnologica per la realizzazione di commutatori ottici, con tempi di commutazione anche di 10⁻¹²÷10⁻¹³ s.

Vetri con colorazione colloidale. - Hanno un ruolo importante per v. artistici, smalti e per v. diffusori per illuminazione. La colorazione del v. è controllata dalla presenza di nanoparticelle e dalle proprietà ottiche di ossidi componenti la matrice. Il principio di realizzazione di v. colloidali si basa sulla creazione di una dispersione di particelle, di dimensioni nanometriche, a diversa composizione in un v. trasparente. La colorazione è determinata dalla natura chimico-fisica delle particelle, costituite da aggregati di atomi metallici (colorazione rubino con Au, rubino con Cu, rame, giallo con Ag), da aggregati di semiconduttori e loro miscele (colore rosso-rubino e giallo con solfuro di cadmio, rosa con Se, selenio, v. girasole - che appare beige/ambra in luce trasmessa e azzurro in luce riflessa - con alcalino arseniato di piombo e fosfati alcalini). In funzione del colore desiderato si devono individuare la matrice vetrosa e il ciclo termico più idoneo per favorire la enucleazione e la crescita delle particelle con le dimensioni o la distribuzione dimensionale desiderate.

Contenitori in vetro. - Le bottiglie in v. di colore verde sono utilizzate nell'ambito commerciale soprattutto perché tale colore tende a essere associato alla freschezza del prodotto e per la possibilità che offre, data la trasparenza del v. stesso, di valutare il contenuto. Tuttavia, come nei contenitori in v. incolore, anche in quelli in v. verde la trasmissione della luce può risultare dannosa per il deterioramento del contenuto (alimenti, medicinali, cosmetici oppure bevande). Nell'ambito delle nanotecnologie sono stati realizzati dei rivestimenti trasparenti protettivi, applicabili tramite spruzzatura sulle bottiglie durante la fase di produzione. Questi rivestimenti contengono nanoparticelle di diametro dell'ordine di 30 nm che sono in grado, anche in presenza di piccole quantità, di assorbire le lunghezze d'onda della luce nell'intervallo ultravioletto-verde. La trasmissione della luce avviene tra le lunghezze d'onda del giallo e del rosso, che non presentano pericolosità per i contenuti e rendono visibile l'interno del contenitore, assicurandone la protezione, che per il contenuto di specifici prodotti richiede v. di colore blu o ambra.

Materiali vetrosi ibridi. - Si tratta di una nuova classe di materiali inorganici, organicamente modificati, con proprietà intermedie tra quelle dei polimeri e dei vetri. Presentano importanti applicazioni tecnologiche, con proprietà antiabrasione, antigraffio, antiappannamento, controllo della trasmissione della luce. Dispositivi di limitazione ottica sono stati realizzati introducendo in una matrice vetrosa una molecola organica, il fullerene, che rappresenta una forma allotropica del carbonio (C₆₀), in cui raggruppamenti atomici di carbonio sono collegati in una forma geometrica spaziale simile a quella di una palla. Tali sistemi, inseriti, per es., in un binocolo, proteggono le lenti e l'occhio dell'osservatore dai danni derivanti da elevate intensità luminose.

Un'ulteriore applicazione si prospetta nei sistemi di confezionamento di alimenti, con il deposito sulla superficie del contenitore di strati sottili di materiale ibrido, che presenta caratteristiche di idrorepellenza, assorbimento di raggi ultravioletti, barriera alla diffusione di gas, quali ossigeno, vapore o anidride carbonica, che potrebbero compromettere sia le caratteristiche organolettiche sia la commestibilità dell'alimento contenuto.

Vetri per rifiuti pericolosi. - Gli studi sviluppati per lo smaltimento di scorie radioattive tramite il loro inglobamento in una matrice vetrosa (vetrificazione) stanno trovando importanti ricadute per lo smaltimento anche di rifiuti urbani, considerando le difficoltà di realizzazione di discariche autorizzate e i costi correlati. Il prodotto ottenuto può trovare un impiego per la preparazione di rivestimenti stradali, il consolidamento di fondazioni, la cementazione.

Vetri ossicarburici. - Costituiscono una nuova classe di materiali vetrosi con una struttura simile a quella della silice, dove alcuni atomi di ossigeno sono sostituiti da atomi di carbonio. Essi presentano caratteristiche di macro- o microporosità (schiume vetrose), con applicazioni nella catalisi, immobilizzazione di batteri, protezione di veicoli spaziali o satelliti in orbita dall'impatto di meteoriti.

Vetri per schermi piatti televisivi. - La produzione di v. per pannelli al plasma, una tecnologia riguardante schermi di grandi dimensioni, con un mercato in forte crescita, valutabile nell'ordine del 160%, induce forti investimenti, da parte di società vetrarie giapponesi, ma anche nell'area europea.

Vetroceramiche. - Sono sistemi vetrosi omogenei, che sottoposti a un particolare riscaldamento, subiscono un processo di nucleazione e di accrescimento cristallino. La specifica e appropriata formulazione compositiva di questi materiali determina la formazione di fasi cristalline immerse in una fase vetrosa residua. La selezione della composizione e le condizioni di cristallizzazione attraverso la scelta dei cicli termici, il controllo della distribuzione granulometrica e delle dimensioni dei cristalli, aprono la prospettiva di ottenere materiali vetroceramici con caratteristiche chimico-fisiche innovative, quali alta resistenza all'abrasione, elevata resistenza all'attacco chimico, alto modulo di rottura, buona trasparenza. Tali materiali aprono importanti prospettive di carattere tecnologico nel settore dei manufatti ceramici.

Vetri bioattivi e biocompatibili. - Sono v. che portati a contatto con soluzioni fisiologiche provocano la precipitazione sulla loro superficie di uno strato di idrossiapatite, con una struttura molto simile a quella che costituisce la parte minerale delle ossa umane. Sono utilizzati anche come rivestimenti di protesi metalliche oppure ceramiche, garantiscono infatti bioattività in zone limitrofe alla protesi stessa, ma creano anche una barriera al rilascio di ioni metallici nocivi dalle protesi stesse e minimizzano reazioni infiammatorie in prossimità della protesi.

Vetri nanostrutturati bioattivi ferromagnetici. - Sono dei materiali vetroceramici bioattivi contenenti micro- e nanocristalli di magnetite, utilizzati per ipertermia nella cura dei tumori. Introdotti nell'organo interessato in presenza di cellule maligne determinano, tramite l'effetto di un campo magnetico alternato, variazioni localizzate di temperatura, che provocano la distruzione delle cellule cancerogene senza danneggiare quelle sane.

Vetri bioattivi con proprietà antibatteriche. - Si tratta di materiali vetrosi che contengono argento, introdotto con la sostituzione di uno ione alcalino del v., mediante un processo di scambio ionico (realizzato attraverso l'immersione per un determinato tempo del v. in un bagno di sali fusi di argento). L'argento svolge il ruolo di agente antibatterico e viene rilasciato a contatto con i fluidi biologici, controllato dalla composizione del v. stesso.

Materiali vetrosi macroporosi. - Per il riempimento di consistenti porosità ossee derivanti da traumi oppura da tumori vengono utilizzati vetroceramici con un'elevata bioattività per assicurare l'osteointegrazione con i tessuti circostanti e, al contempo, un livello di macroporosità che è simile a quella della morfologia delle ossa, in modo da permettere il passaggio al suo interno di vasi e di strutture biologiche. Si possono essenzialmente classificare come dispositivi per l'ingegneria tissutale. Tali strutture sono peraltro utilizzabili anche per il rilascio controllato di farmaci.

bibliografia

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