nanostruttura

nanostruttura

s. f. – Nella scienza dei materiali, struttura costituita da entità (cristalliti, particelle, supermolecole, clusters, ecc.) aventi dimensioni molto piccole, di ordine nanometrico (tipicamente nell’intervallo 1÷100 nm, dove 1 nm=10^-9 m). I materiali costituiti in tutto o in parte da n. sono denominati materiali nanostrutturati o nanomateriali. A seconda dei casi, le n. possono avere dimensione nanometrica solamente in una dimensione spaziale, formando una sorta di foglio sottilissimo – un caso limite è rappresentato dal , materiale di spessore monoatomico – o un nanostrato (nanofilm) depositato su un supporto; in due dimensioni, nel qual caso la nanoparticella ha forma molto allungata, con elevato rapporto d’aspetto, come per es. nei ; in tre dimensioni, come avviene nei nanocristalli o nelle nanoparticelle metalliche. Il modo in cui le singole entità nanometriche danno origine al materiale macroscopico può essere vario: le nanoparticelle possono rimanere singole, formando una nanopolvere (o polvere ultrafine); possono essere disperse entro una matrice di un altro materiale, dando origine, per es., a un materiale , sulla sua superficie o all’interno dei pori di un materiale microporoso; possono aggregarsi tra loro con interazioni più o meno forti, come avviene nei materiali policristallini formati da cristalliti nanometrici o in molti nanomateriali organici. Dal punto di vista chimico, i materiali nanostrutturati possono essere di natura inorganica (metalli, isolanti, ceramici), organica (supermolecole, polimeri, dendrimeri), organometallica (composti di coordinazione), ibrida (molti materiali nanocompositi). Le entità nanometriche che definiscono la n. possono anche essere vuote: per es., le nanocavità presenti in materiali nanoporosi. Il settore della ricerca scientifica che si occupa della preparazione, della caratterizzazione e della comprensione teorica delle proprietà delle n. è andato rapidamente crescendo nella seconda metà degli anni Novanta del 20° sec. e ha avuto un’ulteriore espansione nel primo decennio del 21°  sec., configurandosi come campo di studio multidisciplinare cui afferiscono discipline quali la fisica dello stato solido, la chimica inorganica e organica, la scienza dei materiali, la biologia. Sia i metodi di preparazione (v. ) sia le tecniche di caratterizzazione (in particolare la microscopia a scansione a effetto tunnel, la microscopia elettronica in trasmissione ad alta risoluzione, la microscopia a forza atomica) hanno subito un forte sviluppo, permettendo in molti casi di progettare e controllare in modo preciso la struttura dei materiali sulla scala nanometrica o meno, fino alla scala dei singoli atomi.

I materiali. – I materiali le cui strutture raggiungono dimensioni nanometriche presentano proprietà e caratteristiche (meccaniche, elettriche, magnetiche, catalitiche, ecc.) in genere sensibilmente diverse da quelle degli stessi materiali con struttura microscopica. La prima causa di questo comportamento sta nel diverso rapporto tra il numero di atomi che sono presenti all’interno della particella e quelli presenti sulla sua superficie. Tenendo presente che, come ordine di grandezza, un atomo di idrogeno ha un raggio di 0,05 nm mentre le distanze interatomiche nei solidi sono dell'ordine di 0,3 nm, una nanostruttura a due dimensioni di 3 nm risulta composta da circa 10 strati di atomi. Nel caso particolare in cui la struttura è limitata in tutte e tre le direzioni spaziali (come avviene per es. nei dispositivi detti punti quantici) il sistema è costituito da un insieme di 103÷105 atomi. Si può calcolare che in un materiale policristallino formato da cristalliti di 100 nm (già molto piccoli rispetto a quelli comunemente presenti nei materiali tradizionali, per es., in una lega trattata termicamente, la cui dimensione lineare tipica è di 100 volte superiore), il rapporto tra il numero di atomi presenti nei bordi intergranulari e gli atomi interni è dell’ordine di 150, mentre tale valore sale a circa 15.000 se la dimensione dei granuli scende a 10 nm e supera 25.000 per granuli di 5 nm. Poiché le proprietà degli atomi che formano la parte interna dei cristalliti e di quelli che si interpongono ai loro bordi sono diverse, molte caratteristiche macroscopiche dei materiali vengono fortemente influenzate dalla dimensione dei grani. Per es., materiali ceramici con grani di dimensione dell’ordine di 10 nm possono essere sintetizzati a temperature fino ad alcune centinaia di gradi minori rispetto a quelle necessarie per sintetizzare i corrispondenti materiali a grani più grandi; il prodotto ottenuto risulta più facilmente deformabile a caldo e, quindi, agevolmente lavorabile allo stato plastico, in qualsiasi forma, anche con dettagli minuti. Questa proprietà è di grande interesse per lo sviluppo di materiali ceramici avanzati. Anche metalli e leghe in n. presentano durezza, carico di rottura, allungamento maggiori rispetto ai materiali ordinari. Il cambiamento drastico delle proprietà catalitiche, tipicamente, si raggiunge per dimensioni particolarmente ridotte, anche al di sotto di 5 nm. Oltre ad aumentare nettamente il rapporto tra atomi superficiali e atomi interni, la riduzione della dimensione dei cristalliti può portare all’insorgere di un altro fenomeno, in quanto la dimensione caratteristica del cristallo può diventare confrontabile con le scale di lunghezza tipiche su cui avvengono i fenomeni subatomici (cammino libero medio di elettroni e fononi, coerenza spaziale, ecc.), con conseguenze notevoli sulla struttura elettronica del materiale: il confinamento quantistico degli elettroni in regioni di spazio molto piccole è un aspetto molto interessante delle n., sia dal punto di vista scientifico di base sia per le applicazioni in elettronica. Riducendo progressivamente la dimensione di un solido sino alla scala dei nanometri, le funzioni d'onda elettroniche vengono progressivamente confinate sino ad assumere caratteristiche di tipo atomico. Quando la dimensione fisica di un cristallo di semiconduttore viene ridotta a qualche decina di nanometri, come nel caso dei punti quantici (quantum dot), le bande di stati elettronici del semiconduttore scompaiono e vengono progressivamente rimpiazzate da stati elettronici discreti, con un forte incremento dell'energia di quantizzazione indotto dalla riduzione di dimensione. Si ottengono in questo caso degli 'atomi artificiali' che possono essere progettati e realizzati con energie elettroniche ben controllate a seconda delle applicazioni di interesse (elettronica, fotonica, materiali compositi). Effetti simili si ottengono con n. aventi dimensione nanometrica in una (pozzi quantici o quantum wells) e due (fili quantici o quanum wires) dimensioni. Tali effetti, dimostrati sperimentalmente grazie all'avvento delle tecnologie di fabbricazione epitassiale dei semiconduttori negli anni Ottanta e Novanta del 20° sec., sono ampiamente sfruttati per progettare nuovi materiali e dispositivi, e rappresentano una delle più straordinarie evidenze dei principi di base della meccanica quantistica. Lo sviluppo dei materiali nanostrutturati per applicazioni tecnologiche presenta delle potenzialità assai notevoli per vastità, carica di innovazione e ricadute commerciali in quasi tutti i settori ad alta tecnologia, come dimostrato anche dagli ingenti investimenti che il settore ha attirato nei primi anni del 21° secolo.