La chimica dei nuovi materiali

1. La chimica dei nuovi materiali M.Francesca Ottaviani Facoltà di Scienze e Tecnologie Università di Urbino

2. Quando si parla di MATERIALI…… Solidi Liquidi Cristalli Metalli e leghe Vetri Polimeri Semiconduttori Catalizzatori Pigmenti Creme Fibre, tessuti e carta Detergenti Micelle Membrane Solidi micro-,meso- e nanoporosi vernici Gas??

3. IL NUOVO MATERIALE DEL QUALE NON POSSIAMO PIU’ FARE A MENO: La PLASTICA Sono dette materie plastiche quei materiali artificiali con struttura macromolecolare che in determinate condizioni di temperatura e pressione subiscono variazioni di forma, che possono diventare permanenti. Chimicamente, le materie plastiche si ottengono dalla polimerizzazione di una quantità di molecole base (monomeri) per formare catene anche molto lunghe. Si parla di omopolimeri se il monomero è unico, copolimeri se il polimero è ottenuto da due o più monomeri diversi, e di leghe polimeriche se il materiale è il risultato della miscelazione di due monomeri che polimerizzano senza combinarsi chimicamente. A tale base polimerica vengono poi aggiunte svariate sostanze (dette "cariche") in funzione dell'applicazione cui la materia plastica è destinata (ad esempio coloranti o lubrificanti) ed altri componenti speciali atti a conferire alla materia plastica finita le desiderate proprietà di lavorabilità, aspetto e resistenza. Le materie plastiche si ottengono dalla lavorazione del petrolio….

4. Le materie plastiche si dividono in termoplastiche e termoindurenti. Termoplastiche: materie plastiche che rammolliscono sotto l'azione del calore. In questa fase possono essere modellate o formate in oggetti finiti e quindi per raffreddamento tornano ad essere rigide. Termoindurenti: materie plastiche che, dopo rammollimento per riscaldamento, induriscono per effetto di reticolazione tridimensionale; nella fase di rammollimento risultano formabili. Se questi materiali vengono riscaldati dopo l'indurimento non ritornano più a rammollire, ma si decompongono carbonizzandosi. cenere Elastomeri: sostanze naturali o sintetiche che hanno le proprietà tipiche della gomma naturale, come la capacità di poter essere allungati diverse volte riassumendo la propria dimensione. Vengono modellati nelle forme desiderate tramite estrusione o stampaggio a caldo. Gli elastomeri termoplastici , una volta stampati, possono venire nuovamente fusi. Gli elastomeri possono diventare termoindurenti legando le une alle altre le catene di polimero attraverso l'uso di reattivi chimici (zolfo), temperatura e pressione in un processo generalmente chiamato vulcanizzazione. A causa di questa modificazione nella loro struttura, una volta modellati non possono venire ulteriormente fusi.

5. BIOPLASICA • La bioplastica è un tipo di plastica biodegradabile • in quanto derivante da materie prime vegetali rinnovabili • annualmente. Le plastiche bio sono composte • da farina o amido di mais, grano o altri cereali. • Vantaggi : • Producibilità di concime • I rifiuti possono essere depositati tutti in discarica data la loro rapida biodegradabilità. Il tempo di decomposizione può essere di qualche mese in compostaggio contro i 1000 anni richiesti dalle materie plastiche sintetiche derivate dal petrolio. • Diminuire i contenitori dei rifiuti sul territorio (eliminando quelli di carta, vetro e materiale plastico) • Minori emissioni di fumi tossici nel caso di incenerimento. • Igiene dei contenitori alimentari • Svantaggi • Le bioplastiche possono ridurre la disponibilità di derrate alimentari, se prodotte a partire da prodotti agricoli come il granturco (ma la previsione è dello 0,04% della produzione mondiale annua). • la loro coltivazione sottrae terreni prima destinati alle colture per il consumo umano e pertanto contribuiscono alla crisi globale dei prezzi alimentari. • La totale biodegradabilità può verificarsi solo quando questi materiali sono smaltiti correttamente in un sito di compostaggio

6. Si trova in commercio? Mater-Bi è il nome commerciale di un tipo di bioplastica brevettata e commercializzata. Creato a partire dall' amido di mais, grano e patata, il Mater Bi trova applicazioni nella produzione di imballaggi, stoviglie e buste di bioplastica, in sostituzione dei tradizionali sacchetti in polietilene. E' stato utilizzato, a livello sperimentale, nell'ambito teatrale attraverso la creazione di una tunica in Mater Bi.

7. Tutti i polimeri sono materie plastiche? NO, solo se sono “lavorabili” Materiali POLIMERICI di uso comune: PE (polietilene) è il polimero di più facile ottenimento e tra i più comuni. Utilizzato come isolante per cavi elettrici, film e pellicole, borse e buste di plastica, contenitori di vario tipo, tubazioni….. PET (polietilene tereftalato) è l’evoluzione del PE,utilizzato per film e pellicole, anche cinematografiche, tubi, bottiglie, contenitori… PP (polipropilene): usato per molti oggetti di uso comune, dagli zerbini agli scolapasta! PS (polistirene o polistirolo): usato nei più disparati settori applicativi: domestico, industriale, alimentare (piatti, bicchieri e posate di plastica ). Si è sostituito a vetro, alluminio e legno per le sue proprietà meccaniche ed elettriche. In tutti questi casi la polimerizzazione è “radicalica”: si rompe il legame debole tra carbonio e carbonio e rimangono solo legami forti C=C + C=C .C-C-C-C.

8. PU (poliuretano) espanso, come schiuma, per materassi e imbottiture, se rigido, per strutture termoisolanti, se elastico, per tubi e guarnizioni elastiche. Utilizzato anche per fibre tessili (Elastam) PV e PVC (polivinilcloruro)è la materia plastica più versatile: può essere modellato per stampaggio a caldo nelle forme desiderate. Può essere ridotto a film oppure disperso in solventi (acqua) con cui vengono “spalmati” tessuti o rivestite superfici, serbatoi, valvole, rubinetti, vasche e fibre tessili. Le applicazioni più rilevanti erano la produzione di tubi per edilizia (ad esempio grondaie e tubi per acqua potabile), profili per finestre, pavimenti, film rigido e plastificato per imballi e cartotecnica. Usato anche per uso tessile. Ma il materiale diventa fragile e il monomero è cancerogeno….. Sintesi del PU Struttura del PVC PARENTESI: le fibre tessili ottenute da materie plastiche si dicono sintetiche, mentre se ottenute da cellulosa e derivati si dicono artificiali. Le fibre di lino, canapa, seta, lana…sono invece naturali

9. PMMA (polimetilmetacrilato) con i nomi commerciali di Plexiglas, Perspex, Lucite, Vitroflex, Limacryl e Resartglass. Utilizzato al posto del vetro (data l’equivalenza delle proprietà ottiche) nella fabbricazione di vetri di sicurezza e articoli similari, nei presidi antinfortunistici, nell'oggettistica d'arredamento o architettonica in genere. PA (poliammide) I composti più conosciuti che fanno parte di questa famiglia sono le fibre tessili Nylon e Kevlar. In termini chimici, passando a sistemi naturali, anche le proteine sono sistemi poliammidici poiché caratterizzate dal legame tra un gruppo acido e un gruppo amminico. Struttura chimica del Plexiglas Fibre di Nylon Struttura di una proteina

10. Ed ora una breve panoramica dei polimeri di ultimissima generazione!! PI (poliimmide) Fa parte del tipo "materie plastiche ad alta prestazione" in quanto offre elevate prestazioni in termini di resistenza alle alte temperature, all'usura e basso attrito. È utilizzata per produrre boccole, anelli di tenuta e rondelle reggispinta, utilizzati nell'industria automobilistica, aerospaziale, dei semiconduttori e in altri comparti industriali. PAN (poliacrilonitrile) utilizzato per la produzione di fibre sintetiche resistenti all'invecchiamento, a tarme, ad agenti fisici e chimici e caratterizzate da notevoli proprietà meccaniche. Utilizzato anche come precursore per ottenere fibra di carbonio ad alta qualità. CR39 è il trentanovesimo prodotto di una ricerca di una lunga serie di polimeri della Columbia Research; appartenente alla classe dei poliesteri, garantisce proprietà ottiche e meccaniche vantaggiose rispetto al vetro, pesante circa la metà del vetro con resistenza all'impatto 4 volte superiore. L'utilizzo principale di questo materiale è nelle lenti infrangibili ad uso oftalmico (occhiali).

11. PC(policarbonati): usati nell’ottica per le lenti degli occhiali, nell’elettronica per i computer e per i compact disc, nel campo delle costruzioni per coperture trasparenti, nel settore dei trasporti per i caschi e per le coperture dei fanali. Nel campo medico nelle apparecchiature per la dialisi artificiale e per la cardiochirurgia, per la prima infanzia (biberon, aerosol, incubatrici). • SI (siliconi o poli-silossani), sono polimeri inorganici basati su una catena silicio-ossigeno e gruppi funzionali organici legati agli atomi di silicio. La versatilità dei siliconi li rende utilizzabili nei più disparati settori, ad esempio: • Adesivi • Lubrificanti Polimeri perfluorurati: il TEFLON (PTFE) • Isolanti • Giocattoli • Settore automobilistico • Antischiuma • Protesi • Sigillature • Finiture murali DENDRIMERO • Dendrimeri: sono i polimeri del futuro, ottenuti a partire da un core polifunzionale a cui si attaccano, in modo ramificato, strati concentrici di monomeri di vario tipo. Forme globulari perfette permettono di mimare gli istoni per il trasporto genico ed hanno mostrato di legare i peptidi responsabili dell’Alzheimer prevenendo tale malattia

12. La nuova CARTALa carta attualmente viene prodotta dalla pasta di legno (conifere ed alberi ad alto fusto: l’industria cartaria utilizza circa il 12-13 % del legname mondiale; ma vengono usati anche residui di fibre tessili e recupero di stracci e cartoni), per trattamento con alcali e trattamenti meccanici (sbattimento). In pratica il costituente è la cellulosa. Un nuovo tipo di carta è stato realizzato nei laboratori dello Swedish Royal Institute of Technology di Stoccolma sottoponendo il legno all'azione chimica di enzimi e all'azione meccanica di particolari batteri che separano e estraggono le fibre in sospensione acquosa senza danneggiarle. Una volta disidratate tali fibre si aggregano spontaneamente dando vita a superfici di "nanocarta" ultra resistente. La resistenza della supercarta è dovuta alle caratteristiche dinamiche dei legami che si instaurano tra le nanofibre: pur essendo unite saldamente tra loro sono libere di scivolare l'una sopra l'altra così da dissipare tensioni e stress meccanici. Questo materiale potrà essere utilizzato con successo in numerosi ambiti: sia come materiale di rinforzo per applicazioni civili e industriali sia come base per la realizzazione di tessuti biocompatibili. Un team di ricercatori del MIT ha messo a punto un nuovo materiale in nanofibre da polielettroliti di potassio che si assemblano in acqua creando dei micropori idrorepellenti. Pur avendo le sembianze della comune carta, il materiale ha una straordinaria capacità di assorbire olii e combustibili dispersi in acqua, può essere riciclata e consente di recuperare ciò che ha assorbito. La speciale carta sarà davvero preziosa per risolvere disastri ambientali come la fuoriuscita di greggio dalle petroliere.

13. VETRO Il vetro è un materiale solido amorfo, prodotto dalla rapida solidificazione di materiale viscoso. Un esempio si ha versando dello zucchero fuso su una superficie fredda. Il risultato è la formazione di un solido amorfo, cioè privo di struttura cristallina. Comunemente con il termine vetro si intende vetro siliceo, cioè costituito quasi esclusivamente da biossido di silicio (la silice, la cui forma cristallina è il quarzo) e dalla sua forma policristallina, la sabbia. In forma pura, la silice ha un punto di fusione di circa 2000 °C ma vengono aggiunti carbonato di sodio o di potassio e calce che abbassano il punto di rammollimento a circa 1000 °C. Il vetro è trasparente (alla luce visibile, ma non all’ultravioletto), duro, pressoché inerte dal punto di vista chimico e biologico, e presenta una superficie molto liscia, ma è fragile e tende a rompersi in frammenti taglienti. Metalli e ossidi metallici vengono aggiunti nella produzione del vetro per dare o alterare il colore. DOMANDA: che differenza c’è tra pigmento e colorante? Il primo si disperde, il secondo si scioglie in acqua

14. Vetri speciali: nuovi materiali Il vetro al piombo come il cristallo o vetro Flint è più brillante, perché il suo indice di rifrazione è aumentato. Il boro è aggiunto per migliorare le caratteristiche termiche ed elettriche, come nel caso del vetro Pyrex. Vetro float (galleggiante) Il 90% del vetro piatto prodotto nel mondo, detto vetro float, è fabbricato con il sistema "a galleggiamento" inventato da Alastair Pilkington, dove il vetro fuso è versato, galleggia e si raffredda su un bagno di stagno fuso Vetro argentato (specchio): uno strato d'argento o alluminio aderente ad una superficie della lastra di vetro float causa un effetto di riflessione ottica sulla superficie opposta. Vetro temprato (o temperato) Il vetro temprato viene ottenuto per indurimento tramite trattamento a 640 °C (tempra) di pezzi preventivamente tagliati. Getti d’aria raffreddano rapidamente la superficie mentre l’interno si compatta lentamente. Questo vetro è resistente, ma si frantuma in mille pezzi

15. Vetro laminato (stratificato) è stato inventato nel 1903 dal chimico francese Edouard Benedictus: per una disattenzione in laboratorio è caduto un flacone rivestito da uno strato plastico di nitrato di cellulosa e si è rotto ma senza aprirsi in pezzi. Il moderno vetro stratificato è realizzato unendo due o più strati di vetro ordinario alternato a un foglio plastico, a sandwich con il vetro che è poi scaldato a 70 °C e pressato con rulli per espellere l'aria ed unire i materiali. Uno strato di polivinile procura isolamento acustico e riduce del 99% la trasparenza alla luce ultravioletta. Vetrata isolante (in inglese: IGU Insulating glass unit, cioè elemento vetrato isolante). È una struttura vetrata attualmente utilizzata in edilizia, in particolare nei serramenti esterni (finestre e porte), al fine di ridurre le perdite termiche dell'edificio. È costituita da due o più lastre di vetro piano unite tra di loro, al perimetro, da un telaietto distanziatore in alluminio, acciaio o polimerico e separate tra di loro da uno strato d'aria o di gas. Ha anche un effetto di fonoisolamento rispetto alla lastra singola.

16. LEGHE: Una lega è una combinazione di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo e dove il materiale risultante ha proprietà metalliche differenti da quelle dei relativi componenti. A volte una lega è designata con il nome del metallo più importante: l'oro a 14 carati è una lega di oro con altri elementi; lo stesso accade per l'argento usato in gioielleria e per l'alluminio usato nelle strutture. Esempi di LEGHE di uso comune: Acciaio composto principalmente da ferro e carbonio, quest‘ ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite, si ha la ghisa. Acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai ad alto tenore di cromo, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua Gli ottoni sono leghe rame-zinco. A basso contenuto di zinco sono lavorabili a freddo, mentre ad alto contenuto di zinco (Max 45 %) sono lavorabili a caldo. Il bronzo è una lega rame-altro metallo, dove il metallo aggiuntivo può essere l'alluminio, nichel, berillio e stagno, anche se il bronzo antico viene inteso come la lega rame-stagno.

17. LEGHE moderne: nuovi materiali Lo Zamac è una lega metallica a base di zinco con percentuali di alluminio, ferro, stagno e cadmio. La sua duttilità e modellabilità in fase di fusione lo rendono utilizzabile in svariate applicazioni ed in particolare nel modellismo di autovetture e mezzi militari. E' stata recentemente applicata in modo innovativo dal designer Ron Arad nella produzione di bottiglie per profumi dello stilista giapponese Kenzō Takada anche per la sua completa riciclabilità. GeSbTe è una lega di Germanio, Antimonio e Tellurio. É usata nei dischi ottici riscrivibili (DVD+RW) e nelle memorie a cambiamento di fase (in grado di cambiare fase (da cristallina a amorfa e viceversa) in modo reversibile e controllato per mezzo di una corrente di programmazione che attraversa la cella di memoria). Il suo tempo di ricristallizazione è inferiore ai 20 nanosecondi permettendo un bit rate fino a 35MB/s in scrittura

18. Tra le nuove leghe, vi è l’arseniuro di gallio e alluminio (lega tra arseniuro di gallio e arseniuro di alluminio, con proprietà di semiconduttore…. ) SEMICONDUTTORI I semiconduttori sono materiali che hanno una resistività intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Gli elettroni passano da una banda di valenza ad una di conduzione se sottoposti ad opportuni campi elettrici o variazioni termiche.

19. I semiconduttori sono alla base di tutti i moderni dispositivi elettronici e microelettronici quali i transistor, i diodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). I pannelli fotovoltaici sono basati sulle proprietà di semiconduttore del silicio. Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Silicio e germanio sono semiconduttori intrinseci, ma diventano estrinseci se drogati: fosforo, arsenico e antimonio hanno un elettrone in più e generano un drogaggio di tipo n, mentre boro, gallio e indio, avendo un elettrone in meno funzionano da trappole di elettroni e generano un drogaggio di tipo p. Qui sotto: CELLA FOTOVOLTAICA e LED

20. CATALIZZATORI Un catalizzatore è una sostanza, fonte o dispositivo che interviene in una reazione chimica aumentandone la velocità ma rimanendo inalterato al termine della stessa. Una superficie metallica spesso funziona da catalizzatore (per ottenere margarina…). Senza i catalizzatori, molti dei moderni processi chimici industriali non avrebbero luogo, ma altrettanto si può dire per i processi biologici: gli enzimi sono catalizzatori Marmitta catalitica: contiene un convertitore, costituito da centinaia di piccoli canali ricoperti da metalli nobili. Permette l’ossidazione dei gas di scarico: idrocarburi, ossidi di azoto e CO vengono trasformati in CO2, azoto e acqua. Una sonda (lambda) indica il livello di ossigeno

21. I solidi porosi funzionano ottimamente da catalizzatori: Le zeoliti (alluminosilicati) hanno piccoli pori tutti uguali Nuovi materiali per la catalisi e la biocatalisi: silici nanoporose ottenute da aggregati di lipidi: sono la soluzione per mantenere Inalterate le proprietà di enzimi e incentivare reazioni biologiche. Il punto di partenza: aggregati di lipidi (tensioattivi) Gli aggregati originano sferette chiamate MICELLE: queste funzionano da DETERGENTI (il più comune nello shampoo: sodio lauril solfato); il SAPONE è fatto da sali tensioattivi. Lo sporco (olio e grasso) si scioglie nella parte interna, oleosa, mentre la superficie esterna è solubile in acqua I liposomi sono costituiti da lipidi ma hanno una cavità interna nella quale entra l’acqua: le cellule hanno una membrana liposomica che filtra i nutrienti. Le cellule sono il materiale più antico e più moderno…….

22. Ogni oggetto di uso quotidiano può contenere un nuovo materiale……Provate a chiedervi • Di quali fibre sono fatti i vostri indumenti? • Quali pigmenti o coloranti sono stati usati per tingerli? • Una crema cosmetica o farmaceutica di cosa è fatta (INCI= l’international nomenclature of cosmetic ingredients ha più di 6000 voci!)? Lo sapevate che i rossetti contengono scaglie di aringhe? • E i farmaci e medicine che prendiamo in caso di malattia? • Quali materiali compongono gli oggetti che usate di più (ad esempio il telefonino!)? • Come mai la pelle delle scarpe può essere lucida o opaca, morbida o dura e le suole possono “respirare”? • Cosa sono i conservanti negli alimenti? • Come è fatto uno schermo • televisivo al plasma…… • (plasma=gas ionizzato, di solito • gas nobili) AVETE DOMANDE??