Bionanotechnology

Nanotecnologie

Studio di tecnologie che permettono di controllare la materia alla scala nanometrica. Si è in grado di manipolare molecole molto semplici, spostarle in maniera controllata. Punto chiave che motiva l’interesse è che molte proprietà di un materiale cambiano quando passo dalla scala macro o micro alla scala nano (atomica). Termine “bulk”: quantità significativa. Esempio con lastra porosa e oro come materiale.

Proprietà del materiale

Descrivono il comportamento del materiale sotto certe condizioni. Queste proprietà dipendono anche dalla dimensione dell’oggetto. Il rapporto tra la superficie dell’oggetto e il volume cambia al ridurre le dimensioni dell’oggetto mantenendo la stessa geometria. Il secondo aspetto che definisce le nanotecnologie è la fase di progettazione di nuovi materiali o nuovi dispositivi.

Colloide: sostanza sciolta in un solvente dell’ordine dai 5 ai 100 nm. Non è totalmente omogenea. Nanotubi di carbonio: come materiali di rinforzo, migliorano il rapporto resistenza meccanica/peso dell’oggetto.

Discorso di Feynman

Il limite della miniaturizzazione è dato dai singoli atomi. Il nome “nanotecnologie” fu proposto nel 1974 da un giapponese, definite come la capacità di manipolare la materia su scala atomica. Nel 1981 due ricercatori di IBM inventarono il microscopio a effetto tunnel, STM. Mostrarono la capacità di individuare singoli atomi. Da questo momento c’è stata la possibilità pratica di controllare e manipolare atomi. Nel 1986 è stato ideato il microscopio a forza atomica, AFM.

Nanofabbricazione

Capacità di realizzare qualcosa in modo controllato su scala atomica.

Effetti dovuti alla riduzione delle dimensioni

Scalamento: riduzione isoforme. Microsistemi: storico, applicazioni, due esempi che non hanno a che vedere molto con il mondo bio, microsistemi per la salute.

Perché miniaturizzare?

Tabella sulla slide.

Effetti dello scalamento

Considerare il volume di un oggetto sulla sua area superficiale. Parliamo genericamente di dimensione. Il volume è proporzionale al cubo della dimensione lineare, la superficie è proporzionale al quadrato della dimensione lineare.

Alcuni fenomeni di scala piccola

Dimensioni lineari (superfici) preponderanti su dimensioni volumetriche. Interazioni superficiali: forze di Van del Waals. In ambiente gassoso le forze di interazione preponderanti sono quelle elettrostatiche. In ambiente liquido le forze elettrostatiche sono spesso schermate da ioni nel liquido, le interazioni tra superficie oltre a quelle elettrostatiche (schermate), legami a idrogeno (formazione di ponti idrogeno).

Adesione superficiale: dovuta alle interazioni non specifiche (nessun tipo di legame chimico), in natura si trova sulle zampette del geko, grazie alla struttura a livello microscopico della superficie delle zampe. I filamenti hanno lo scopo di aumentare l’area di contatto tra la superficie della stampa e la superficie dove si arrampica. L’adesione è dovuta ad interazioni di Van del Waals (attrattive). Con un approccio biomimetico possiamo imitare lo stesso principio realizzando materiali di sintesi artificiali che presentano una struttura microscopica simile, utilizzati come adesivi.

Tensione superficiale: definita per un liquido. Ha le dimensioni di un’energia su un’area. È una proprietà del liquido. Ha l’effetto di una forza che si oppone ad un oggetto che cerca di rompere la superficie del liquido (creare nuova energia). L’oggetto deforma la superficie senza essere immerso. Impedisce ad oggetti il cui rapporto forza peso/superficie è piccolo di venire immersi.

(Inizio da 00:53:30) Per un liquido la tensione superficiale rappresenta il lavoro meccanico necessario per creare una nuova unità di area superficiale. Ha le dimensioni di un lavoro su unità di area, J/m² o N/m. La tensione superficiale di un liquido genera una forza che si oppone a creare nuova superficie. Se cerchiamo di immergere un oggetto all’interno del liquido in realtà creiamo nuova superficie perché la superficie di contatto tra oggetto e liquido aumenta una volta che l’oggetto è stato immerso nel liquido.

Per creare nuova area superficiale devo fare un lavoro che posso interpretare in termini di forza. Devo vincere una forza che si oppone all’immersione dell’oggetto all’interno del liquido. Questa forza è proporzionale alla tensione superficiale del liquido e al perimetro dell’area di contatto tra oggetto e liquido. Perimetro che a sua volta è proporzionale alle dimensioni lineari dell’oggetto stesso, scala come le dimensioni lineari.

Se raddoppio le dimensioni dell’oggetto raddoppio anche il perimetro dell’area di contatto. Questa forza scala come L, al ridursi delle dimensioni dell’oggetto si riduce linearmente. Se la forza che è responsabile della penetrazione dell’oggetto nel fluido è la forza peso, come nell’esempio, al ridursi delle dimensioni della sfera, Fs si riduce in maniera proporzionale al raggio della sfera, la forza peso di riduce proporzionalmente al volume quindi a L³, quindi si riduce molto più velocemente al diminuire di L.

Altro effetto: effetto foglia di loto

L’acqua scorre sotto forma di piccole gocce che rotolano sulle foglie di loto senza bagnarle. Particolare struttura della superficie. Protuberanze sulla superficie, implicano una significativa variazione dell’area di contatto tra le gocce e la foglia. Quindi una variazione tra le interazioni tra goccia e superficie modificando la bagnabilità di quest’ultima, rendendola altamente idrofobica.

La bagnabilità in inglese wetting è data dal bilancio tra forze di adesione e di coesione tra l’interfaccia tripla acqua, substrato solido e aria. Questo effetto può essere caratterizzato misurando l’angolo di contatto di una goccia con il substrato di contatto (angolo theta). Theta è una misura della bagnabilità della superficie. Definiamo la superficie idrofilia se theta è < 90°, idrofobica se theta è > 90°.

Andando a modificare opportunamente la struttura e quindi la rugosità della superficie, si osserva che l’angolo di contatto varia e all’aumentare della rugosità il substrato si allontana dalla superficie modello uniforme liscia e si comporta come una superficie scabra, modellabile secondo modelli matematici che prevedono l’aumento di contatto. Queste variazioni avvengono senza modificare il materiale di cui è fatto il substrato.

Tale fenomeno può essere sfruttato come approccio biomimetico realizzando superfici opportunamente nanostrutturate che hanno un comportamento super-idrofobico. Con questo termine si intende un angolo di contatto vicino a 180°. Il risultato è che le gocce che cadono sulla superficie rotolano su di essa senza sporcarla/bagnarla.

Tecniche per ridurre l’adesione

Se l’interazione responsabile dell’adesione superficiale è di tipo di van del Waals (dipolo indotto – dipolo indotto) possiamo pensare di ridurre l’area di contatto tra il manipolatore e l’oggetto. Non possiamo modificare l’oggetto quindi agiamo sul manipolatore. O depositando del materiale sulla superficie del manipolatore, o andando a strutturare tale superficie, ecc.

Se invece l’adesione superficiale è principalmente dovuta ad un capillare d’acqua che si forma tra il manipolatore e l’oggetto. Il film di strato condensato può formare una forza capillare che risulta molto forte e responsabile dell’adesione. In questo caso, una possibile strategia potrebbe essere quella di aumentare l’idrofobicità, ridurre la bagnabilità della superficie del manipolatore per evitare la formazione di questo film e/o aumentare la temperatura della superficie del manipolatore in modo tale da ridurre la condensazione.

Altra situazione: nel caso in cui l’adesione è dovuta ad interazioni elettrostatiche tra le cariche presenti sui due oggetti possiamo pensare di ridurre o eliminare queste cariche spostandole verso un riferimento, una massa, quindi allontanandoli dalla superficie collegandoli elettricamente ad un potenziale opportuno. Questa eliminazione delle cariche è più complessa nel caso in cui il materiale del manipolatore sia isolante.

Come approccio generale possiamo pensare di afferrare un oggetto applicando delle pressioni negative/positive rispettivamente. In questo caso aumentando la pressione positiva applicata per rilasciare l’oggetto possiamo annullare gli effetti di forze di adesione indipendentemente dalla loro natura in quanto applichiamo noi una forza che allontana o separa.

Scambio di calore

La capacità di un corpo di immagazzinare calore è quantificata dalla capacità termica C che è una caratteristica del corpo stesso. Definita dal rapporto tra il calore fornito all’oggetto e l’aumento di temperatura che ne è derivato. C può essere anche espresso come prodotto tra la massa dell’oggetto e il suo calore specifico c. Il calore specifico è una capacità per unità di massa. Evidenzia il fatto che la capacità termica è proporzionale alla massa e quindi al volume, perciò C scala come L³. Il flusso di calore phi tra un oggetto e un altro corpo avviene attraverso la superficie dell’oggetto stesso, perciò il flusso è proporzionale alla superficie dell’oggetto, quindi scala come L². Il rapporto di phi/C scala come L^-1. Questo indica che al diminuire delle dimensioni lineari di un oggetto, il flusso di calore attraverso di esso diventa preponderante rispetto alla quantità di calore immagazzinabile dall’oggetto. Oggetti piccoli si possono scaldare e raffreddare molto velocemente. Esempio lampadina a filamento di W. È difficile mantenere calore e quindi un gradiente di temperatura all’interno degli oggetti piccoli.

Flusso laminare

Un aspetto rilevante in ambito biomedico riguarda la manipolazione dei fluidi. In particolare lo spostamento di liquidi in soluzione acquosa tramite convezione attraverso canali e tubature di dimensioni microscopiche. Il flusso di un fluido per convezione può avvenire in regime turbolento o laminare. Con il termine laminare si indica che i vettori di tutte le velocità di tutte le particelle del fluido hanno direzioni parallele. Non abbiamo un rimescolamento, a differenza del moto turbolento. Filetto fluido: massa di fluido di sezione infinitesima che si muove entro le pareti di un tubo.

L’instaurazione di un regime laminare o turbolento dipende da diversi fattori tra cui la velocità del moto del filetto fluido e la viscosità del fluido stesso. Il numero di Reynolds è un numero adimensionale usato in fluidodinamica calcolato come il rapporto tra le forze di inerzia e le forze viscose che agiscono nel moto del fluito (moto convettivo) e che è importante perché dà un’indicazione sul regime del moto. Re < 1000-2000 il moto è considerato laminare, per Re > 2000 è considerato turbolento.

Dal punto di vista dello scalamento è possibile verificare che Re scala come L dove L è la dimensione (diametro) del tubo entro cui avviene il flusso. Questo significa che quando L si riduce (tubi stretti), Re decresce fino ad arrivare a valori molto bassi al di sotto del limite per instaurare un regime laminare. Il valore dipende anche dalla velocità del flusso ma in un micro-canale per qualunque liquido (indipendentemente dalla viscosità e dalla velocità) Re è la di sotto di 1000. Quindi, in un micro-canale qualunque liquido si comporta come un fluido altamente viscoso.

Posso far fluire liquidi diversi uno affianco all’altro nello stesso micro-canale. Questo comportamento può essere sfruttato per realizzare una valvola con un ingresso e due uscite. Il fatto che il flusso sia sempre laminare può essere un vantaggio perché permette la realizzazione di una valvola di questo genere dove non c’è nessuna parte meccanica mobile, realizzabile solo fruttando il flusso laminare. Ma può rappresentare un problema: per esempio, rimescolare due soluzioni differenti in micro-canali è difficile perché tendenzialmente le due soluzioni non si mescolano per convezione ma solo per diffusione.

Diffusione alla microscala

È regolata dalle leggi di Fick. Dalla soluzione della seconda legge di Fick possiamo andare a ricavare quella che viene spesso chiamata diffusione lenght, che corrispondente alla distanza percorsa per diffusione da una particella caratterizzata da un coefficiente di diffusione D nel tempo t. Possiamo calcolare quello che chiamiamo tempo di diffusione t. Slide: con questi valori è possibile stimare il tempo necessario ad una molecola per diffondere e percorrere una certa distanza x.

Il moto diffusivo è un moto browniano considerando la singola particella. In media, nel so di un gradiente di diffusione, questo moto assume una direzione preferenziale che è quella del gradiente. Al ridursi del contenitore, le molecole presenti all’interno della soluzione tendono a diffondere in tempi sempre più brevi. In volumi estremamente piccoli la diffusione avvenga in maniera estremamente veloce. Viceversa, osserviamo anche che se consideriamo una concentrazione volumetrica costante della molecola, riducendo le dimensioni del contenitore e quindi riducendo il volume riduciamo il numero di molecole in media presenti (considerando la concentrazione costante) in soluzione.

Questa osservazione diventa significativa se pensiamo ad applicazioni di tipo analitico, per esempio applicazioni diagnostiche. La miniaturizzazione può portare a vantaggi. La velocità nei tempi di risposta si riduce perché per diffusione tutte le molecole presenti in un piccolo volume raggiungono in poco tempo l’area sensibile del sensore. Possiamo anche immagine che un volume di campione piccolo può essere vantaggioso nel caso in cui il campione sia sangue o un pezzo di tessuto o una biopsia.

Bisogna anche stare attenti che riducendo troppo le misure abbiamo poche molecole da misurare in tutto il volume. Marcatori che ci indicano se siamo stati esposti ad un certo virus e per il quale abbiamo sviluppato una risposta immunitaria si trovano nel siero del sangue a concentrazioni fisiologiche dell’ordine di 10^-7-8 mol/L e quindi sono 100 volte inferiori al micro molare. Vuol dire che per questo campione il numero di molecole risulta 100 volte inferiore a quelli riportati nella tabella. Diventa difficile andare a rilevare così poche molecole. Dal punto di vista analitico non ha senso scendere al di sotto di certi volumi.

Tutto il discorso sullo scalamento si basa sulle considerazioni della fisica classica in cui la materia è considerata come un continuo e le sue proprietà uniformi. Quando scendiamo addirittura al di sotto del micron questo non è più vero, diventa evidente quella che chiamiamo la granularità del mondo che ci circonda. Quando si manipola la materia alla scala nanometrica occorre tenere conto di questa granularità perché le leggi della fisica classica non riesce più a descrivere il comportamento di questi oggetti.

Effetto Paschen: effetto break down di un dielettrico, quella che viene chiamata rottura dielettrica, avviene quando un materiale in condizioni naturali di dielettrico cessa di essere isolante perché sottoposto ad un campo elettrico sufficientemente elevato permette passaggio di corrente che avviene improvvisamente con una scarica (scarica ad arco).

Rigidità dielettrica: caratteristica di un dielettrico, valore costante. Paschen osservò che per i gas la rigidità dielettrica varia con la pressione del gas. Una seconda osservazione che fece è che per piccole distanze tra due elettrodi planari tra cui è applicata una ddp con in mezzo aria la rigidità dielettrica aumenta pur mantenendo costante la pressione del gas (aria) in mezzo ai due elettrodi. La rigidità dielettrica è un parametro del gas, nel caso dell’aria è circa 3x10⁶ V/m (campo elettrico necessario affinché avvenga il fulmine).

Questa rigidità dielettrica quando lo spazio si riduce al disotto del centinaio di micron aumentata in maniera anche molto veloce fino a tendere all’infinito per una distanza che tende a zero. Le proprietà dielettriche del gas cambiano in funzione dello spessore dello strato di gas.

Nanotecnologie

Le nanotecnologie sono tecnologie che si muovono al di sotto del micron. In particolare, questi nano sistemi sono considerati nano quando sono inferiori ai 100 nm. Oggetti dimensionalmente inferiori o uguali ai 100 nm. Definizione più ampia in ambito della salute perché sono considerati nano oggetti inferiori a 1 micron. Range più ampio perché se pensiamo alle dimensioni di una cellula, anche particelle superiori ai 100 nm possono interagire con le cellule eucariotiche. Per questo motivo in campo salute la definizione è più ampia.

Un’interazione di un nano-oggetto con la cellula deve essere un’interazione controllata che non deve portare a conseguenze negative. Oltre al fattore importante dimensionale c’è il fattore che gli oggetti definiti nano presentano proprietà dovute e legate in modo intrinseco alla loro nanoscala. L’essere nano determina proprietà particolari. Grazie alle piccole dimensioni questi oggetti hanno un elevatissimo rapporto superficie/volume. Il rapporto superficie/volume cresce al diminuire delle dimensioni. Molto importante perché ogni interazione che un nano-oggetto stabilisce con l’ambiente esterno avviene tramite gli atomi che si trovano sulla superficie.

Le proprietà dei nano-oggetti non dipendono soltanto dalla loro composizione chimica ma dipendono fortemente dalla loro dimensione e forma. La luce assorbita da una nanoparticella di oro o di argento, dipende anche dal diametro e dalla forma che può essere più o meno sferica.