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Dal micro al nano: in che modo i nanopolimeri rivoluzionano la scienza dei materiali?
I compositi nanopolimerici (PNC) sono costituiti da polimeri o copolimeri e nanoparticelle o riempitivi dispersi in una matrice polimerica. Queste nanoparticelle possono avere forme diverse (ad esempio scaglie, fibre, sfere), ma almeno una dimensione deve essere compresa tra 1 e 50 nanometri. Questi PNC appartengono ai sistemi multifase (MPS, come miscele, compositi e schiume) e rappresentano il 95% della produzione mondiale di plastica. Questi sistemi richiedono una miscelazione/rinforzo controllati, la stabilizzazione della dispersione risultante e l'orientamento della fase dispersa; le strategie di rinforzo per tutti gli MPS, compresi i PNC, sono simili.
La nanoscienza dei polimeri si riferisce all'applicazione della nanoscienza allo studio e all'applicazione di matrici polimeriche-nanoparticelle, in cui almeno una dimensione della nanoparticella è inferiore a 100 nanometri. Il processo di trasformazione delle microparticelle in nanoparticelle determina modifiche nelle loro proprietà fisiche e chimiche. Uno dei fattori principali di questo cambiamento è l'aumento del rapporto tra superficie e volume e la variazione delle dimensioni delle particelle. Man mano che le dimensioni delle particelle diminuiscono, il rapporto tra area superficiale e volume aumenta, facendo sì che il comportamento degli atomi sulla superficie delle particelle diventi più dominante nella reazione.
"La maggiore superficie dei nanopolimeri consente interazioni più forti con altre particelle, il che a sua volta migliora proprietà come la resistenza e la resistenza al calore."
Ad esempio, le nanosfere di silicio presentano una grande differenza rispetto al silicio convenzionale: il loro diametro varia da 40 a 100 nanometri e la loro durezza è compresa tra lo zaffiro e il diamante. I compositi nanopolimerici possono essere preparati anche mediante sintesi a infiltrazione continua (SIS), in cui i nanomateriali inorganici crescono in una matrice polimerica tramite diffusione di precursori in fase vapore.
Nanofibre polimeriche bio-ibride
Molte applicazioni tecnologiche di sostanze biologiche (ad esempio proteine, virus o batteri), come la cromatografia, l'informatica optoelettronica, i sensori, la catalisi e la somministrazione di farmaci, richiedono la loro immobilizzazione. A questo scopo vengono spesso utilizzati nanotubi di carbonio, particelle d'oro e polimeri sintetici. L'immobilizzazione delle sostanze biologiche avviene principalmente tramite adsorbimento o legame chimico, più raramente utilizzando queste sostanze come ospiti nella matrice ospite.
"I polimeri forniscono una buona piattaforma per l'immobilizzazione della biomassa grazie alla disponibilità di un'ampia varietà di macromolecole naturali o sintetiche e di tecnologie di lavorazione avanzate."
Preparazione di nanotubi bioibridi
Le fibre polimeriche vengono solitamente prodotte su scala tecnica mediante la tecnologia dell'estrusione, in cui un polimero fuso o una soluzione polimerica viene pompata attraverso una filiera cilindrica e poi filata o estrusa mediante un dispositivo di avvolgimento. Oggigiorno, l'elettrofilatura rimane la migliore tecnologia di lavorazione dei polimeri per ridurre i diametri a centinaia di nanometri o addirittura a pochi nanometri. Applicando un forte campo elettrico, un getto di fluido viene espulso dalla parte superiore della gocciolina fino a formare una nanofibra solida.
Applicazioni dei nanotubi
I nanotubi possono essere utilizzati anche per la somministrazione di farmaci, in particolare nella cura del cancro. Il loro ruolo è quello di proteggere il farmaco dalla distruzione nel sangue, controllare la dinamica del rilascio del farmaco e garantire la capacità di trasporto verso bersagli specifici. Non solo, i nanotubi con polimeri reattivi possono anche controllare l'apertura e il rilascio dell'imboccatura del tubo attraverso una modifica chimica.
"Le fibre nucleo-guscio dei nanotubi sono in grado di catturare materiale biologico senza comprometterne la funzionalità, il che le rende potenzialmente utili nei biosensori."
Applicazioni ingegneristiche dei nanopolimeri
Tra le applicazioni ingegneristiche, i compositi nanopolimerici svolgono un ruolo importante nel settore degli pneumatici per autoveicoli, poiché le loro proprietà superiori contribuiscono a migliorare l'efficienza del carburante. Inoltre, i compositi nanopolimerici vengono utilizzati anche in ambienti ad alte temperature grazie alla loro eccellente resistenza al calore.
Sebbene gli sviluppi nel campo dei nanopolimeri siano rapidi, presentano ancora dei limiti. Ad esempio, il rilascio del farmaco dalle nanofibre non è ancora stato controllato con precisione e solitamente avviene a raffica. E con lo sviluppo della tecnologia futura, ci aspettiamo naturalmente maggiori possibilità.
Come si possono sfruttare al meglio le proprietà dei nanopolimeri per risolvere le future sfide della scienza dei materiali?
