La nanotecnologia è un ramo della
scienza applicata e della tecnologia
che si occupa del controllo della
materia su scala dimensionale
inferiore al micrometro (10-6 m) e
della progettazione e realizzazione di
dispositivi in tale scala; scala che può
conferire al prodotto, speciali
caratteristiche chimiche e fisiche.
Confronto visivo tra le
dimensioni di un capello
umano e una membrana di
nanofibre
Ordine di
grandezza
(m)
Valore
esatto
10-9
1 nm
Esempio
Diametro elica DNA
100 nm
Particelle del fumo di legno
120 nm
Dimensione max di una particella che può attraversare una mascherina da chirurgo
10-8
10-7
100-250 nm
450-500 nm
10-6
1-10 μm
NANOFIBRE
Dimensione media virus
Diametro tipico di un batterio
7 μm
Filo di una ragnatela
10 μm
Larghezza fibra cotone
20 μm
Larghezza fibra lana
80 μm
Spessore capello umano
10-5
Quando il diametro delle fibre polimeriche è ridotto da livello
micrometrico a nanometrico si ha la comparsa di diverse
stupefacenti caratteristiche tra le quali
le più importanti sono sicuramente:
Elevata Porosità
Elevato rapporto superficie/volume
(rapporto che arriva ad aumentare anche di
un fattore 103 rispetto alle microfibre)
Queste caratteristiche rendono le nanofibre eccellenti candidate in diversi settori applicativi
Potenziali campi di applicazione
Applicazioni in ambito medico
Da un punto di vista strutturale, quasi tutti tessuti umani e gli organi sono caratterizzati
da forme o strutture nano fibrose, come per esempio la pelle, le ossa, il collagene e la
cartilagine.
LE NANOFIBRE, GRAZIE A QUESTE
AFFINITA’ “DIMENSIONALI”, POSSONO
FACILMENTE TROVARE APPLICAZIONE IN
DIVERSE AREE MEDICALI.
Applicazioni in ambito medico
Le nanofibre possono essere utilizzate
come carrier per la crescita cellulare
migliorando l’efficienza delle garze
convenzionali in:
Nanofiber
Wound Pad/
Hemcon
Medical
Technologies
• Ferite causate da ustioni, interventi
chirurgici e infezioni post-operatori
• Ferite croniche (come quelle
generate da decubito o da ulcere)
• Ferite traumatiche (specialmente alla
cornea, ustioni chimiche e termiche)
Maschere
Requisiti
Cattura batteri e virus
Traspirabile
Basse perdite di carico
Si richiede l’impiego di polimeri
non irritanti
Estemamente leggere
Strutture composite
Come substrato si utilizza un nontessuto microfibroso
Uno strato è progettato
appositamente per bloccare i virus
e i batteri
Può essere utilizzato sia come
strato inferiore o superiore secondo
le esigenze del prodotto
Assorbimento acustico
Caratteristiche Materiale:
• Spessore del materiale
• Arrangiamento della fibra
• Densità e porosità strato nanofibroso
• Assorbimento acustico efficace a
causa degli interstizi molto piccoli
che si vengono a formare in uno
strato di nanofibre
• Buone proprietà di isolamento
termico oltre che assorbimento
acustico
Filtrazione
•
•
•
•
Basse perdite di carico
Migliore manutenzione del filtro
Aumento del ciclo di vita del filtro
Minor energia richiesta per la filtrazione dovuta alle
basse perdite di carico
• Costi di investimento più bassi dovuto alla riduzione
dell’ingombro del filtro (riduzione dimensioni circa 30%)
• Migliore protezione di componenti ad alto valore
aggiunto (e.g. turbine a gas, motori di automobili, etc.)
PRODUZIONE DI ENERGIA
La cella a combustibile è un generatore elettrochimico in cui, in linea di principio,
entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno o aria) e
da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e calore.
PEM: celle a membrana polimerica sono dotate di una membrana a scambio di protoni
Vantaggio di membrana nano-dimensionali:
aumento notevole della superficie di scambio
Separazione anodo/catodo in batterie
•
•
•
•
Riduzione del peso e delle dimensioni
Elevato porosità e bagnabilità
Bassa resistenze delle correnti ioniche
Aumento delle densità di potenza
INDUMENTI PROTETTIVI
Il personale militare, i vigili del fuoco, le forze dell'ordine, i medici richiedono indumenti ad
alto livello di protezione da possibili agenti atmosferici, chimici e biologici
Le limitazioni dei capi di abbigliamento usati
attualmente a questo scopo son
sicuramente
che di fatto impediscono
• il peso
all'utente di indossare
• la non traspirabilità
l’indumento per lunghi
periodi.
Proprio per il loro peso leggero, per la loro
grande area superficiale e per la loro porosità
(quindi traspirabilità) le nanofibre di polimeri
sono considerate possibili materiali eccellenti
a questo scopo.
Viste le grandi possibilità dei materiali di dimensioni nanometriche la
ricerca si è dedicata allo studio di un certo numero di tecniche di
lavorazione per la preparazione di nanofibre polimeriche:
Processo
Tecnologia di
studio
Può il processo
essere
trasferito in
industria
Ripetitibilità
Processo
conveniente
Controllo
dimensioni
nanofibre
drawing
laboratory
X
✔
✔
X
Template
synthesis
laboratory
X
✔
✔
✔
Phase
separation
laboratory
X
✔
✔
X
Self-assembly
laboratory
X
✔
X
X
Electrospinning
laboratory
✔
✔
✔
✔
L’APPARATO STRUMENTALE E’ COSTITUITO DA 4 ELEMENTI
FONDAMENTALI:
Una siringa dosatrice con un
capillare di diametro intorno al
millimetro dove viene inserito il
fluido polimerico in soluzione
Una pompa volumetrica in
grado di regolare il flusso della
siringa
Un generatore di alta tensione
Un collettore metallico
(dispositivo di raccolta)
Il collettore può essere un piano statico o
di geometria cilindrica che, se messo in
movimento, permette una raccolta più
ordinata della fibra
L’applicazione di un campo elettrico genera una forza elettrostatica che prevale
ampiamente sulla tensione superficiale facendo sì che si formi un vero e proprio getto
Il getto elettricamente carico sviluppa
una geometria conica (cono di Taylor)
e, attraversando il campo elettrico,
viene accelerato e assottigliato a
formare un filamento stirato, grazie
anche all’evaporazione del solvente
Durante il tragitto verso il collettore si ha una drastica
diminuzione del diametro (dovuta alla rapida rotazione a
spirale del getto accelerato).
Questo fenomeno è chiamato “movimento di frusta”
Nanofibre elettrofilate LETTERATURA
Nanofibre elettrofilate LETTERATURA
Nanofibre elettrofilate LETTERATURA
Nanofibre elettrofilate LETTERATURA
La semplicità operativa della strumentazione per l’elettrofilatura si scontra
con la complessa messa a punto delle variabili sperimentali.
Il processo di electrospinning è influenzato, infatti, da numerosi parametri
strettamente correlati tra loro.
Per questo motivo, ogni polimero necessita di un’ottimizzazione individuale.
PARAMETRI DI SISTEMA
La morfologia delle nanofibre, in termini
di valore medio e distribuzione
dei diametri delle fibre e presenza o
meno di difetti, dipende da due serie
di parametri principali:
PARAMETRI DI PROCESSO
conducibilità
viscosità
concentrazione del
polimero nella soluzione
tensione superficiale
Parametri di
sistema
struttura molecolare
Volatilità solvente
peso molecolare
Viscosità: incide sull’estensione del getto e sul diametro delle nanofibre
▪ Se troppo bassa si avrà poca forza di stiramento e quindi formazione di granuli
▪ Se troppo alta si può avere la rottura del getto anziché un’azione di trazione
Volatilità solvente: più un solvente è volatile, più la fibra avrà tempo e modo
di stirarsi lungo il tragitto verso il supporto di raccolta
Tensione superficiale: contribuisce alla formazione di granuli nella fibra.
(Un modo per diminuire la tensione superficiale è aggiungere
tensioattivo alla soluzione, al fine di rendere più uniformi le fibre)
Conducibilità: è il parametro più importante, in quanto l’electrospinning
permette lo stiramento del fluido polimerico, grazie alla mutua repulsione
delle cariche sulla superficie
Fattori esterni agenti sul getto polimerico
Potenziale elettrico
Distanza capillare-schermo
Temperatura
Parametri di
processo
Diametro ago
Umidità relativa
Potenziale elettrico: è il parametro che fornisce alla soluzione le cariche
necessarie affinchè la forza elettrostatica superi la tensione superficiale.
Quando si raggiunge questa soglia il processo di elettrofilatura ha inizio.
Distanza capillare-schermo: una distanza maggiore vuol dire dare al getto di
soluzione più tempo per stirare e quindi ottenere nanofibre con diametri minori
Temperatura e Umidità relativa: possono influire in modo rilevante il
processo di elettrofilatura
SEM
microscopio a scansione elettronica
Strumento per analizzare la morfologia delle fibre
Si identificano in modo semplice eventuali difetti nel
tessuto non tessuto
0.34 μm
0.21 μm
Oltre a identificare eventuali
difetti sul campione si riesce
anche a misurare con estrema
semplicità il diametro delle
fibre prodotte e si controlla
inoltre l’ omogeneità del
prodotto
Fine
