Nanocristalli come nuove sorgenti luminose: possibile rivoluzione della nanotecnologia

Una notizia molto interessante è apparsa negli ultimi giorni nel variegato mondo della nanotecnologia.

All'università di Vanderbilt per caso, mentre esperimentavano l'uso di nanocristalli [quantum dots] vedi post correlati, hanno scoperto una nuova metodologia che potrebbe rivoluzionare i sistemi di emissione di luce generici.

Attualmente si sta seriamente considerando la possibilità di passare ai LED che producono circa il doppio della luce prodotta da una lampadina comune con una durata di 50000 ore con un grande risparmio di energia.

Il dipartimento dell'energia americano ritiene che passando ai LED si potrebbero risparmiare il 30% dell'energia da qui al 2025. Nel caso dei quantum dots, e veniamo alla notizia, se illuminati o "sottoposti" ad una fonte di energia elettrica emettono luce generalmente di colore dipendente dalla tipologia chimica del nanomateriale e dalle sue dimensioni nanometriche ovviamente.

In questo caso "illuminando" con un laser l'accidentale mix di nanocristalli con grande sorpresainvece di osservare la tipica illuminescenza, una "confortevole" luce bianca veniva emessa.

L'idea successiva è stata quella di mescolare i nanocristalli in poliuretano e "sverniciare" un LED: il dispositivo emettevaun luce bianca molto simile alle lampadine tradizionali.

Questa scoperta, di cui qui si riporta un rapido accenno, apre un mondo di applicazioni potendo in linea teorica e probabilmente pratica trasformare qualsiasi oggetto in un dispositivo d'emissione di luce.

Lascio a voi immaginare le potenzilità intrinseche alla scoperta.

REFERENCE. Work is published online in the Oct. 18 edition of the Journal of the American Chemical Society.

Piccolo glossario Nanotecnologia - Nanoscienza - Nanomateriali

-Nano Biotecnologia: La Nano Biotecnologia si occupa di studiare le proprietà su scala molecolare delle nanostrutture biologiche. Tale studio coinvolge la comprensione della fisica e della chimica dei fenomeni biologici ed eventuali applicazioni, manipolazione, creazione di “dispositivi” bio-nano-strutturati.

-Nanocomposito:Nanomateriale formato da uno o più materiali dalle caratterisitche differenti nell'obiettivo di sfruttare le qualità migliori di ogniuno di essi, ("miscelazione nanometrica"). Nei nanocompositi le nanocariche (dimensioni nanometriche) (silicati, metalli, nanotubi incarbonio) agiscono da rinforzo della matrice, usualmente di tipo polimerico.

-Nanoelettronica: Applicazione delle nanotecnologie in ambito elettronico. Tali applicazioni risultano particolarmente promettenti considerando le applicazioni nel campo della memorizzazione delle informazioni, miniaturizzazione dei componenti elettronici, nanocomputer, sensori etc.

-Nanomacchine e nanodispositivi: Sono dispoditivi costrutiti atomo per atomo (molecola per molecola). L'idea futuribile è quella di assemblarli nella maniera suddetta, essendo capaci di eseguire delle operazioni/mansioni.

-Nanomanufacturing : Manufacturing su scala nanometrica. Altra applicazione delle nanotecnologie.

-Nanomateriale: Un nanomateriale puo' essere definito come un materiale creato dalla manipolazione su scala nanometrica dei propri componenti: molecole, atomi. Nel campo dei nanomateriali a seconda delle dimensioni spaziali d’ordine nanometrico avremo: film, lamelle (una dimensione nanometrica), nanotubi, nanofili (due dimensioni nanometriche), nanoparticelle con tre dimensioni nanometriche. I materiali nanocristallini essendo composti da grani cristallini di ordine nanometrico entrano a far parte di quest’ultima categoria.

-Nanomedecina: Applicazione delle conoscenze e tecniche della nanotecnologia in campo medico. Aree come la diagnostica clinica, il trasporto ed il rilascio di farmaci sono alcuni dei campi di applicazione della nanomedicina.

-Nanometro: Un nanometro (nm) equivale ad un milionesimo di metro, 10–9m. Gli atomi sono entità al di sotto di tale grandezza, mentre molte molecole (aggregati di atomi), incluse le proteine, hanno un grandezza superiore al nanometro.

-Nanometrologia: Nanometrologia è la scienza della misura su scala nanometrica. La nanometrologia è particolarmente importante nell’obiettivo di produrre nanomateriale e soprattutto nanodispositivi con il necessario grado di accuratezza, affinchè le tecniche della nanotecnologia possano essere affidabilmente implementate.

-Nanoparticelle:Tipicamente sono considerate nano-particelle quelle con un diametro al di sotto dei 100 nm, che esibiscono delle caratteristiche fortemente dipendenti dalle dimensioni rispetto a particelle di dimensioni maggiori.

-Nanoscala: Scala dimensionale d’ordine nanometrica.

-Nanoscienza: E’ lo studio dei fenomeni e della possibile manipolazione di materiali su scala atomica e molecolare, dove le proprietà differiscono fortemente da quelle caratteristiche di scale dimensionali superiori.

-Nanostrutture: Strutture con disposizione nanometrica delle proprie parti.

-Nanotecnologia: Con il termine di nanotecnologia si intende La progettazione, la caratterizzazione, la produzione e applicazione di strutture, dispositivi, sistemi, controllando forme e dimensioni su scala nanometrica.

-Nanotubi in carbonio (Carbon nanotubes): I nanotubi in carbonio CNTs furano osservati per la prima volta da Sumio Iijima nel 1991 Hanno una struttura costituita da un foglio o fogli di grafene arrotolati a formare una struttura cilindrica. Possono essere a pareti concentriche multiple MWNT o singole SWNT.

-NEMS definition Nano Electronics Mechanical System.

Max S.T

Libro nanotecnologie

Un libro scritto da tre professori dell'università di Bologna sta avendo un grosso riscontro a livello internazionale essendo stato adottato come testoin molti corsi sulle nanotecnologie.

Edito da Wiley "Molecular Devices and Machines: a Journey into the Nanoworld" forte di questo consenso è stato tradotto anche in cinese e si suppone diverrà un punto di riferimento per gli studenti cinesi che si occuperanno di nanotecnologia.

Vincenzo Balzani, Alberto Credi e Margherita Venturi del dipartimento di Chimica Ciamician sono gli autori, il primo dei quali è stato invitato dall'università di Shangai per la presentazione del testo.

Due riflessioni:
1- I professori Universitari Italiani a prescindere dall'argomento continuano a fare sempre la loro figura.
Speriamo che anche dal punto di vista delle ricerca finalizzata alla nascita e crescitadi aziende nel settore si sia altrettanto virtuosi.

2 - I cinesi non sono solo, ciabatte o magliettine copiate, ma hanno una grosso rispetto e dedizione per la ricerca e come tali stanno investendo tantissimo anche nelle nanotecnologie.
I risultati credo che non tarderanno ad arrivare, con buona pace dei nostri governanti che continuano ad additare la Cina come unica causa della crisi strutturale del nostro apparato produttivo.

Max S.T

Nanotubi di origine naturale: halloysite nanotubes.

Negli states esiste un'azienda operante nel settore dei nanomateriali denominata NaturalNano.
L'azienda per voce del suo presidente Michael Riedlinger ha presentato un documento al "American Composites Manufacturers Association Composites 2005" nel quale evidenziano come la NaturalNano stia lavorando all'utilizzo di nanotubi naturali di Halloysite presente nelle miniere di argilla estratta nella Dragon Mine in Utah.

L'Halloysite è molto simile al caolino noto minerale importantissimo negli impasti per l'ottenimento della porcellana. La formula chimica è Al2Si2O5(OH)4 4H2O. E' costituito la lamelle tetraedriche di silice alternati a strati a struttura ottaedrica di Al(OH)4 in presenza di atomi interstiziali di Magnesio Mg+2, con l'interposizione di molecoledi acqua.

La presenza di nanotubi di Halloysite nei minerali ha dato grande impulso alla ricerca nel campo condotta dalla NaturalNano che vorrebbe utilizzarlicome nanofiller di rinforzo nei compositi polimerici.
Per maggiori info NaturalNano

Nanostrutture in carbonio per l'ottenimento di idrogeno dall'acqua

Un gruppo di ricerca della North Carolina State Universityha scoperto un metodo per l'estrazione (l'ottenimento) dell'idrogeno dall'acqua che potrà ridurre della metà il quantitivo energetico da spendere rispetto ai metodi attuali.

Sembrerebbe che nanostrutture di carbonio (nanotubi in carbonio) con difetti del reticolo, possano facilitare la rottura delle molecole di acqua per laproduzione di idrogeno.
Chiaramente ciò potrebbe avere delle notevoli ripercussioni sull'utilizzo intensivo dell'idrogeno come fonte d'energia.

La scoperta è in qualche modo curiosa considerando come la possibilità di influenzare positivamente la reazione dipende dalle imperfezioni strutturalipiù che dalla conclamata assenza di difetti dei nanotubi in carbonio.

Il gruppo di ricerca capeggiato dal Dr. Marco Buongiorno-Nardelli e Keith Gubbins attraverso simulazioni numeriche ha evidenziato come si possa ridurre la temperatura dagli attuali 2000°C, necessari alla rottura delle molecole di aacqua ed il rilascio di idrogeno, a 1000°C.

I dettagli sono dipsonibili sulla pubblicazione
"Dissociation of Water on Defective Carbon Substrates"
Sept. 30, 2005 Physical Review Letters

Link news ufficiale

Nanotubi in carbonio e computer memory

Come preannunciato in una mio precedente post, la nantero ha presentato i risultati delle sue ricerche al Emerging Technologies Conference Cambridge Massachusetts.

Vengono sfruttate le caratteristiche elettriche dei nanotubi per riprodurre lo switch digitale 1-0.

La nantero ha sede in Woburn Massachusetts e lavora all'idea da anni (probabilmenteanni ben spesi). Negli ultimi tempi anno fatto dei notevoli passi avanti nell'ambito della produzione e quindi commercializzazione.

Greg Schmergel, chief executive officer of Nantero, afferma che i chip a nanotubi saranno 10 volte più efficienti delle flash cards (le più velociallo stato attuale).

La nantero ha denominato la propria tecnologia come NRAM (nanotubes-based non-volatile random access memory).

Fonte: Link

Pillola d’approfondimento: Quantum dots (Punti Quantici), nanocristalli metallici semiconduttori.

Quando m’interessai dei nanocompositi polimerici (mio principale interesse) incappai nei nanocompositi metallo polimero. Influenzato dalle nozioni inerenti i compositi tradizionali ingenuamente pensai che si trattasse di un composito in cui la miscelazione dei componenti era solo più intima (a livello nanometrico appunto) con tutte le conseguenze del caso.

Infittendo l’interesse per la materia scoprii che c’era qualcos’altro.
In particolare fui colpito dai reiterati riferimenti ai nanocristalli e quantum dots. Ma cosa sono i quantum dots? Nanocristalli, nanoparticelle metalliche di rinforzo o cos’altro.

Cercherò di riportare brevemente quello che, nei limiti delle mie conoscenze e della mia capacità di comprensione ho appreso.

I quantum dots sono dei nanocristalli metallici. In dettaglio sono cristalli di ossidi, solfuri, selenuri (se così vogliamo chiamarli)etc. di metalli quali ad esempio il Cadmio, Zinco, Ferro.

In riferimento alle dimensioni nanometriche, alla loro morfologia e costituzione chimica tali componenti mostrano delle qualità semiconduttrici.

I semiconduttori devono la propria importanza al fatto che la loro conduttività elettrica può essere influenza da stimoli (segnali) esterni (campi elettrici, flusso di fotoni etc.) rendendoli fondamentali per applicazioni nei campi dell’elettronica in particolare.
Lo stimolo esterno consente agli elettroni (responsabili della conduzione elettrica) di passare dalla cosiddetta banda di valenza (a più bassa energia) alla banda di conduzione saltando il cosiddetto band-gap (l’elettrone che salta il fosso è denominato eccitone) e lasciando dietro di sè una lacuna. La misura della “distanza media fra eccitone e lacuna” è legata al raggio di bohr dell’eccitone.

I quantum dots in riferimento alle dimensioni nanometriche 2-10 nm composti da pochissimi atomi (50-100) praticamente un’inezia, mostrano delle potenzialità superiori ai normali semiconduttori.

Maggiore flessibilità ed adattamento dovuta alla loro estrema sensibilità della frequenza d’emissione alle dimensioni e composizione.

La motivazione è da ricercare nell’insorgere, a tali dimensioni, di fenomeni di natura quantistica. Non credo di andare troppo lontano dall’idea di chi ha coniato il termine nel dire che quantum dots derivi per l’appunto dall’unione delle due caratteristiche: nanodimensioni ed effetti quantici.

Nei semiconduttori tradizionali con l’aumento della scala dimensionale dei cristalli, la differenza dei livelli energetici diviene impalpabile, quindi insensibili alla discretizzazione dei livelli energetici visto la minima differenza d’energia fra i livelli energetici (bulk properties) (mi scuso per la trivialità della spiegazione).

Nei Quantum Dots pur rimanendo i concetti di banda di valenza banda di conduzione e di band-gap, le dimensioni dei cristalli sono vicine o più piccole del raggio di bohr dell’eccitone, la discretizzazione dei livelli energetici diviene palpabile.

Tutto questo ha delle notevoli ripercussioni sulle proprietà del semiconduttore.

La cosa che rende questo tipo di semiconduttori unici è la possibilità di controllare il band-gap controllando la dimensione dei nano-cristalli. In considerazione poi del fatto che la frequenza d’emissione dipende dal medesimo band-gap è evidente come sia possibile controllare la lunghezza d’onda d’emissione con estrema precisione ed in ultima analisi controllare ad esempio a proprio piacimento “il colore della luce emessa” e la luce assorbita.

Max S.T