Nano e Biomateriali

Nanomaterialie biomateriali

Un lavoro di Regonesi Alessandro, Buizza Matteo, Meregalli Samuele, Harid Adam e Travellini Gabriele

Introduzione

Cos'è la nanoscienza? Cosa sono i nanomateriali? E le nanotecnologie?

Nanoscienza e nanotecnologie

La nanoscienza è lo studio delle proprietà dei nanomateriali e costituiscono una nuova area di ricerca che promette di rivoluzionare le diagnosi e le cure mediche.

Nanomateriali

I nanomateriali sono dei materiali le cui particelle hanno dimensioni comprese tra 1 e 100 nm. Sono più grandi delle singole molecole ma troppo piccole per mostrare le proprietà macroscopiche dei materiali.

Natura e impieghi dei nanomateriali

In un metallo del blocco d la separazione dei livelli energetici è infinitesima. In un cluster di atomi nanoscopici, però, la separazione diventa significativa ed i cluster possono agire da trappole elettroniche

La scoperta di alcuni metalli e metalloidi è dovuta al loro autoassemblarsi in estese strutture regolari nanoscopiche.

Quando un certo numero di centri metallici si raggrupano e si uniscono l'un l'altro attraverso un intermediario che fa da ponte, si dice che si forma un cluster.

Esempio di Cluster

Le sue applicazioni, cioè le nanotecnologie, si occupa del controllo della materia su scala dimensionale nanometrica e della progettazione di dispositivi in tale scala.

Le nanotecnologie promettono di rendere disponibili nuovi materiali come biosensori che controllano e riparano processi corporei, computer microscopici oppure ossa artificiali.

Si possono preparare in soluzione o per deposizione di atomi su una superficie e le dimensioni dei nanoscristalli si differiscono in base ai dettagli della sintesi

Al variare delle dimensioni della buca di potenziale (e del cluster) cambia il colore del materiale. i cluster tridimensionali di materiali semiconduttori sono detti punti quantici

Alcuni punti quantici emettono luce quando un elettrone eccitato cade in un livello energetico inferiore. Un'applicazione di questo fenomeno è nel monitoraggio dei processi biologici che si svolgono nelle cellule

Nanotubi

I nanotubi vennero scoperti nel 1991 da alcuni scienziati che mandavano scariche elettriche tramite delle barrette di grafite in un recipiente pieno d'elio.Gran parte delle bacchette si evaporò ma si crearono anche questi nanotubi di carbonio dritti, cavi e lunghi.

Questi nanotubi hanno un diametro di solamente 3nm e trasmettono energia grazie a una trama estesa di legami π.

Sono anche buoni conduttori di calore, quindi per queste due caratteristiche sono ottimi per lo sviluppo di circuiti integrati.

I nanotubi hanno una resistenza alla trazione fortissima, superiore a quella di qualunque altro materiale, infatti hanno una densità bassa e il loro rapporto forza/massa è 40 volte quello dell'acciaio.

Al momento sono stati sintetizzati più di 50 tipi di nanotubi partendo dal carbonio, che hanno diverse funzioni utili.Sono stati sintetizzati anche nanotubi dal nitruro di boro, che hanno proprietà elettriche che non cambiano in base al diametro del tubo o a come sono arrotolati.

Strutture

Esistono 3 strutture in cui si possono arrotolare i nanotubi:

Struttura chirale

Struttura a "sedia"

Struttura a zigzag

Preparazione dei nanomateriali

Top-down

Il metodo "top-down" cioè dall'alto prevede che i materiali siano modellati con tecniche fisiche come la litografia.

Bottom-up

Nel metodo "bottom-up" le molecole vengono spinte ad autoassemblarsi secondo lo schema desiderato utillizzando specifiche interazioni molecolari.

Tipi di assemblaggio bottom-up

• In soluzione: immersi, vengono aggiunti stabilizzanti per evitare ulteriore accrescimento dei cristalli.
• In fase vapore: sostanza che viene vaporizzata e poi condensata.

In entrambi i modi è possibile non solo ottenere strati di spessore monomolecolari di vari materiali, ma anche materiali con specifiche proprietà elettriche ed ottich

Sintesi a stampo: consiste a far crescere i nanotubi dentro ai pori di una membrana polimerica o ceramica che viene successivamente rimossa o disciolta.

Prospettive ed applicazioni nanomateriali

Prospettiva ed applicazioni

Grazie alle loro piccolissime dimensioni, i nanomateriali mostrano comportamenti particolari e proprietà molto diverse da quelle dello stesso materiale in scala macroscopica. Dato che le nanoparticelle hanno superfici molto estese rispetto al volume, presentano un rapporto molto elevato tra il numero di atomi sulla superficie e il numero di atomi all'interno.

Prospettiva ed applicazioni

Oggi è inoltre possibile produrre film nanometrici di materiali in grado di catturare l'energia solare con rendimenti mai avuti prima; le celle solari a na- notubi di carbonio, per esempio, sono capaci di convertire la luce in elettricità funzionando come una cella fotovoltaica quasi ideale .

I biomateriali

Cosa sono i biomateriali e materiali biomimetici?

Biomateriali

I materiali realizzati dalla natura da sempre destano l'invidia degli scienziati, che solo ora iniziano a imitarli e riprodurli. Per biomateriali si intendono quei materiali che derivano o sono costituiti da materiali naturali e che si ritrovano negli organismi viventi.

Biomateriali

A partire dai fosfolipidi, tensioattivi che costituiscono le membrane delle cellule viventi, si possono per esempio assemblare membrane artificiali che formano sacche, i liposomi, molto più piccole delle cellule viventi .

Materiali Biomimetici

I materiali biomimetici sono materiali sviluppati ispirandosi alla natura. Esempi di queste strutture naturali possono essere: la struttura a nido d'ape dell'alveare e la forza della seta dei ragni.

Materiali Biomimetici

Le radici etimologiche del neologismo biomimetico derivano dal greco, in quanto bios significa "vita" e mimetikos significa "imitativo".

"Ogni cosa che puoi immaginare, la natura l'ha già inventata!"

Albert Einstein

Colloidi

Che cosa sono?

I colloidi sono sospensioni di particelle troppo piccole per essere visibili al microscopio ma abbastanza grandi da diffondere la luce.

L'effetto Tyndall

L'effetto Tyndall è un fenomeno di diffusione della luce dovuto alla presenza di particelle, di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze d'onda della luce incidente, presenti in sistemi colloidali, nelle sospensioni o nelle emulsioni. È facilmente rilevabile nella vita di tutti i giorni: ad esempio, osservando dei raggi di luce quando attraversano sistemi in cui sono sospese o disperse delle particelle solide o liquide (ad esempio della polvere o delle gocce d'acqua).

La classificazione dei colloidi

I colloidi in ambiente acquoso

I colloidi in ambiente acquoso si possono distinguere in idrofili e idrofobi a seconda delle interazioni intermolecolari che la sostanza sospesa intrattiene con l'acqua.

Il budino è un colloide idrofilo perchè le macromolecole delle proteine del budino possiedono numerosi gruppi idrofili che attraggono l'acqua

Il latte è un colloide idrofobo perchè le molecole dei grassi hanno scarsa attrazione in acqua

Nanomedicina

Nanomedicina

La nanomedicina è un ramo della medicina che utilizza dispositivi e strutture ingegnerizzate a livello nanometrico per monitorare, riparare, costruire e controllare i sistemi biologici umani.

Cosa fa la nanomedicina

La nanomedicina effettua diagnosi, cura malattie e ripara i tessuti viventi agendo su scala atomico-molecolare.

Applicazioni

Le applicazioni della nanotecnologia in medicina possono essere raggruppate in tre ambiti principali:

• utilizzo di nanoparticelle per veicolare farmaci;
• utilizzo di nanoparticelle come sonde per la diagnostica;
• utilizzo di sistemi ibridi di cellule viventi e nanomateriali per riparare tessuti o sostituire parti del corpo danneggiate.

Alcune nanoparticelle, nanotubi al carbonio semplici o attivati, hanno la capacità di accelerare la crescita di virus, batteri e organismi patogeni.Una ricerca ha infatti dimostrato come abbiano proliferato molto più in fretta; queste nanoparticelle consentono quindi una diagnosi precoce in caso di infezione.

Lesioni cerebrali

I nanotubi di carbonio sono stati usati per creare circuiti che simulano le connessioni tra i neuroni (sinapsi). Queste applicazioni aprono la strada alla produzione di protesi nanotecnologiche per riparare lesioni cerebrali.

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