Introduzione alle nanotecnologie

I laureati in Ingegneria dei Materiali e delle Nanotecnologie del Politecnico di

Milano hanno opportunità in diversi settori industriali, tra cui:

• Industria dei Materiali: Produzione e trasformazione di materiali

avanzati per applicazioni specifiche.

• Elettronica e Telecomunicazioni: Sviluppo di componenti elettronici

miniaturizzati e ad alte prestazioni.

• Settore Biomedico: Progettazione di dispositivi medici e materiali

biocompatibili.

• Energia e Ambiente: Innovazione nei materiali per l’energia

rinnovabile e soluzioni per la sostenibilità ambientale.

Inoltre, il corso prepara gli studenti a intraprendere carriere nella ricerca

scientifica e tecnologica, sia in ambito accademico che industriale,

contribuendo all’innovazione e allo sviluppo di nuove tecnologie nel campo dei

materiali e delle nanotecnologie.

Formule e Concetti Chiave nelle Nanotecnologie

Nel contesto delle nanotecnologie, alcune formule e concetti fondamentali

includono: no

• Energia di confinamento quantistico: Per una particella confinata in

una buca

Le nanotecnologie rappresentano un campo incredibilmente vasto e

affascinante, con applicazioni che spaziano dalla medicina all’elettronica,

dall’energia all’ambiente. Approfondiamo ulteriormente alcuni aspetti teorici e

pratici, incluse formule matematiche e fisiche che ne descrivono i fenomeni

principali.

Natura Quantistica alla Base delle Nanotecnologie

Alla scala nanometrica (1-100 nm), i materiali mostrano proprietà radicalmente

diverse rispetto a quelle macroscopiche a causa di effetti quantistici e

fenomeni di superficie predominanti.

Effetti di Confinamento Quantistico

Quando le dimensioni di un materiale si avvicinano alla lunghezza d’onda di de

Broglie degli elettroni (nell’ordine dei nanometri), gli elettroni diventano

confinati in uno spazio ristretto, alterando le proprietà elettroniche e ottiche del

materiale. Questo fenomeno è descritto dall’equazione di Schrödinger:

 Dove: • : Costante di Planck ridotta.

• : Massa della particella.

• : Potenziale confinante.

• : Funzione d’onda elettronica.

• : Energia totale.

Nel caso di una particella confinata in una buca di potenziale di larghezza , i

livelli energetici discreti sono dati da:

 Questo effetto è responsabile del cambiamento di colore delle nanoparticelle,

visibile nelle nanoparticelle d’oro o nei punti quantici (quantum dots), che

emettono luce di diverse lunghezze d’onda a seconda della loro dimensione.

Rapporto Superficie-Volume e Proprietà dei Materiali

Le nanoparticelle possiedono un rapporto superficie-volume molto elevato, che

influenza:

1. Reattività chimica: Gli atomi in superficie sono più reattivi rispetto a

quelli all’interno del materiale, rendendo le nanoparticelle ideali per

catalizzatori.

2. Proprietà meccaniche: A causa delle dimensioni ridotte, i difetti

strutturali sono meno presenti, migliorando la resistenza meccanica.

La superficie  e il volume  di una particella sferica sono dati da:

Proprietà Meccaniche delle Nanostrutture

Alla scala nanometrica, le proprietà meccaniche dei materiali differiscono

significativamente rispetto ai materiali macroscopici, a causa di:

1. Effetti di scala: Il comportamento meccanico è influenzato dalle

dimensioni e dalla riduzione dei difetti strutturali.

2. Elevato rapporto superficie-volume: A questa scala, i fenomeni

superficiali dominano rispetto a quelli volumetrici.

3. Effetti quantistici e confinamento: Influiscono indirettamente sulle

proprietà meccaniche alterando la distribuzione degli atomi e i legami chimici.

Di seguito analizziamo alcune proprietà meccaniche fondamentali nei

nanomateriali.

1. Resistenza Meccanica

I nanomateriali, come i nanotubi di carbonio (CNT) o il grafene, mostrano

resistenze meccaniche eccezionali. Questo è dovuto alla riduzione dei difetti

strutturali e all’elevata forza dei legami atomici, come i legami covalenti  nel

caso del grafene.