Cosa sono i Nanorods? E a cosa servono?

Con tale termine siamo soliti identificare nanofibre molecolari o strutture cristalline di dimensioni

inferiori ai 100 nanometri con caratteristiche peculiari che è possibile sfruttare, attraverso

particolari processi di lavorazione, anche alla macroscala. La principale caratteristica di un

materiale nanostrutturato è il fatto di essere progettato e modificato nella sua nanostruttura al fine

di ottenere un preciso insieme di prestazioni, generalmente superiori o comunque non assimilabili a

quelle esibite dai materiali convenzionali. Le proprietà peculiari di tali materiali risiedono proprio

nelle caratteristiche delle nanostrutture. Al di sotto dei 100 nm, infatti la percentuale di atomi di

superficie di un corpo diventa sempre più significativa fino a predominare su quella degli atomi

interni quando la dimensione è assai prossima al nanometro. Alla nanoscala gli oggetti sono inoltre

in grado di cambiare colore, forma e fase molto più facilmente che alla macroscala. Proprietà

fondamentali come resistenza meccanica, rapporto tra superficie e massa, conduttività ed elasticità

possono essere progettate per creare nuove classi di materiali.

In generale è possibile dividere i nanorods in due grandi famiglie: i nanotubi a parete singola

(single-walled nanotubes, o SWNT) e i nanotubi a parete multipla (multi-walled nanotubes, o

MWNT).

Come sintetizzare nanofibre di nichel

Abbiamo appreso ciò grazie al progetto “Settimana della scienza dei materiali”, organizzato

dall’università Ca’Foscari di Venezia in collaborazione con il Liceo Scientifico Leonardo Da Vinci

di Treviso, a cui abbiamo avuto l’ onore di partecipare assieme ad alunni provenienti da scuole

dell’intera regione Venete.

L’attività si è svolta nell’arco di due giornate, la prima tenutasi nel laboratorio di chimica del

Leonardo Da Vinci con la realizzazione di una membrana di policarbonato nei cui pori, in seguito a

vari procedimenti, sono state intrappolate nanofibre di nichel. Nella seconda la suddetta membrana

è stata portata alla sede di Mestre dell’Università Ca’Foscari per l’analisi al SEM.

L’esperimento: la prima giornata

Fissato un pezzetto di parafilm su un supporto di plexiglas rettangolare con dello scotch, e presa

una membrana di policarbonato, ne abbiamo appoggiata la faccia lucida sul parafilm per

proteggerla, esponendo così quella opaca, cercando inoltre di evitare la formazione di bolle d’aria.

In seguito abbiamo preparato 100 ml di soluzione di SnCl2 2H2O 3mM da una soluzione di 0,3 M

dello stesso sale per la sensibilizzazione della membrana, ovvero per renderla conducibile.

Abbiamo poi immerso la membrana fissata sul supporto di plexiglas nella suddetta soluzione di

sensibilizzazione di cloruro di stagno per 45 minuti e mentre questa veniva trattata per il processo

di argentatura è stato preparato il reattivo di Tollens utilizzando nell’ordine 1,25g di AgNO3 in

25ml di acqua distillata, 1,25g di NaOH in 12,5ml e 12,5 ml di NH4OH al 10%.

Abbiamo così ottenuto una sospensione quasi limpida preparando nel frattempouna soluzione di

glucosio, sciogliendone 1,8g in 100ml. Trascorsi i fatidici 45 minuti abbiamo sciacquato la

membrana di policarbonato con acqua distillata e successivamente la abbiamo immersa nel reattivo

di Tollens per 10 minuti in un cristallizzatore. Quindi abbiamo aggiunto 75ml di soluzione di

glucosio, agitato la soluzione per un minuto circa, finché sulle pareti del cristallizzatore non si è

formato uno specchio argentato, e poi abbiamo preparato la membrana per il processo elettrolitico:

l’abbiamo lavata accuratamente con acqua distillata, rimossa delicatamente dal supporto di

plexiglas e dal parafilm, verificando che l’argentatura interessi un solo lato e appoggiata su un

supporto di vetro. A questo punto abbiamo montato una cella elettrochimica posta su un pezzo di

legno isolante. Il catodo era rappresentato dalla membrana con il lato argentato a contatto con una

lastra in ottone. L’anodo invece consisteva in un filo di nichel avvolto a spirale. Altre parti

costitutive di essa erano un cilindro cavo contenente la membrana sopraccitata e la soluzione di

nichelatura. Per far funzionare il tutto è stato necessario utilizzare una pila da 1,5V e un supporto

per essa. A questo punto abbiamo immerso nella soluzione, prestando particolare attenzione, il filo

arrotolato di nichel, in modo tale che questo non venisse a contatto con le pareti della cella

pescando nello stesso tempo nella soluzione di nichelatura. Dopo aver predisposto lo strumento,

abbiamo fatto procedere l’elettrodeposizione per 10 minuti ottenendo così la deposizione del nichel

al catodo, tramite un processo di riduzione, e all’anodo l’ossidazione del filo con la restituzione

degli ioni Ni++ alla soluzione. A processo elettrochimico avvenuto, e dopo aver smontato la cella e

rimosso delicatamente la membrana, l’abbiamo posta su un supporto di vetro, non prima di averla

sciacquata accuratamente con acqua distillata. È poi seguita l’operazione del Peeling, una vera e

propria “ceretta” per rimuovere sia il film di nichel che quello d’argento depositato in superficie,

tramite un accurato e delicato utilizzo di scotch. La membrana, che conteneva le nanofibre

all’interno dei suoi pori era così pronta per la preparazione del campione da analizzare nella

giornata seguente al microscopio elettronico a scansione (SEM). Per essere trasportata nel modo

più sicuro all’università delle scienze dei materiali, dove poi avremmo continuato l’esperimento, la

membrana è stata conservata all’interno di una capsula Petri.

L’esperimento: la seconda giornata

Nel laboratorio della facoltà, con l’aiuto di due tecnici, per prima cosa abbiamo sezionato la

membrana per poterla utilizzare al meglio individuando le zone libere da materiali superflui. In

seguito abbiamo messo questi frammenti in una soluzione di dicloruro metano finché quest’ultima

non ha raggiunto un livello di poco superiore ad essi, filtrando così l’ingente quantità di fibre. Poi

abbiamo inserito un’ancoretta magnetica nella soluzione affinché nell’arco di 5 minuti le attirasse a

sé. Durante questo processo abbiamo riempito un altro becker di acqua distillata fino a 10 ml. Dopo

aver prelevato l’ancoretta l’abbiamo posta nel contenitore di acqua distillata in seguito inserito in

una vaschetta a ultrasuoni in modo tale che le fibre si staccassero dall’ancoretta, poi eliminata, e si

disperdessero in soluzione. Cercando poi di creare una situazione di vuoto attraverso l’utilizzo di

un contenitore alla cui estremità superiore vi era un filtro a base di silice microporosa su cui

abbiamo posizionato una nuova membrana appoggiandola con la parte lucida verso l’alto, e

servendoci di un piccolo imbuto, abbiamo svuotato la soluzione di acqua distillata contenente le

fibre che sono andate poi a raccogliersi sulla nuova membrana grazie alla filtrazione a vuoto.

Abbiamo dunque prelevato la membrana dal filtro e collocatala su un vetrino concavo l’abbiamo

riscaldata su una piastra affinché evaporassero i residui d’acqua. Concluso anche questo

procedimento, abbiamo posto la membrana riscaldata su un piano di vetro per preparare i

campioni per il SEM e quindi abbiamo tagliato una fascia larga 1 cm che poi è stata incollata grazie

ad un biadesivo al centro di uno “stab” ovvero un piccolo cilindro di carbonio eliminando le parti

in eccesso di membrana.

Il SEM funziona sparando un flusso di elettroni sulla superficie da analizzare che poi viene respinto

da essa e trasformato in onde elettromagnetiche, la cui lunghezza d’onda permette la visione da

parte dell’occhio umano, formando così un’immagine in bianco e nero. In base alla frequenza della

repulsione si capiscono gli elementi costitutivi del campione in analisi. Poiché lo STAB e pure la

membrana sono composti di carbonio e quindi non sono conduttori di flussi di elettroni bisogna

ricoprire il campione d’oro, rendendola così conducibile. Tale procedimento prende il nome di

“sputtering”.

Il tecnico ha inserito lo stab in un contenitore al cui interno vi erano un blocco d’oro, un foro

tramite il quale entrava Argon e un piccolo circuito elettrico. Inizialmente è stato creato il vuoto

portando la pressione a 8-6 -1 Pascal. È stata poi attivata una corrente elettrica di intensità 18 mA.

Essendo l’Argon un gas nobile, ovvero dotato di maggiore stabilità poiché possiede un ottetto

completo, l’elettrodo positivo del circuito ne ha catturato un elettrone, ionizzando l’Argon, a sua

volta attratto dal elettrodo negativo rappresentato dal blocco d’oro posto in alto nel contenitore. Ha

ricompletato l’ottetto prendendo un elettrone dall’oro e, diventato più pesante, è caduto ricoprendo

la membrana d’oro. In questo modo lo stab era pronto per la scansione al SEM.

livelli del nichel e di altri metalli presenti nei frammenti da noi sintetizzati

rilevati grazie all’uso del microscopio elettronico a scansione

Cos’è il microscopio elettronico a scansione (SEM)?

Nel microscopio elettronico a scansione (o SEM - Scanning

Electron Microscope) un fascio di elettroni colpisce il

campione che si vuole osservare. al campione vengono emesse

numerose particelle fra le quali gli elettroni secondari. Questi

elettroni vengono rilevati da uno speciale rivelatore e

convertiti in impulsi elettrici. Il fascio non è fisso ma viene

fatto scandire: viene cioè fatto passare sul campione in una

zona rettangolare, riga per riga, in sequenza. Il segnale degli

elettroni secondari viene mandato ad uno schermo (un

monitor) dove viene eseguita una scansione analoga. Il

risultato è un'immagine in bianco e nero che ha

caratteristiche simili a quelle di una normale immagine

fotografica. Per questa ragione le immagini SEM sono

immediatamente intelligibili ed intuitive da comprendere. Il

potere di risoluzione di un normale microscopio elettronico

SEM a catodo di tungsteno si aggira intorno ai 5 nm. L’

immagine SEM ha un'elevata profondità di campo. Il

campione è sotto alto vuoto (10-5 Torr) poiché l'aria

impedirebbe la produzione del fascio (data la bassa energia

degli elettroni), e deve essere conduttivo (oppure

metallizzato), altrimenti produce cariche elettrostatiche che

disturbano la rivelazione dei secondari.