Nanotubi di argilla per la progettazione di materiali intelligenti ecosostenibili

Progetto: Research project

Description

Il progetto di ricerca coinvolge le UR dell’Università di Palermo (URPA), dell’Universtà di Pisa (URPI) e della Scuola Normale Superiore di Pisa (URS).Le competenze delle UR sono complementari tra di loro e garantiscono il pieno svolgimento del programma di ricerca. L’URPA ha competenze nel campo della caratterizzazione sperimentale della struttura e dell’energetica di sistemi supramolecolari, di metodi della chimica quantistica e dinamica molecolare applicati a problematiche chimico-fisiche e di chimica analitica ambientale. L’URPI ha competenze di calorimetria e analisi termica, di tecniche di imaging, di dispositivi innovativi a microonde e delle metodologie di sintesi di nanoparticelle metalliche e magnetiche. L’URS svolge la sua attività presso il Centro per la Chimica e la Cosmologia Computazionale, un nuovo gruppo di ricerca trans-disciplinare della Scuola Normale di Pisa la cui missione è quella di collegare aspetti comuni nella chimica teorica e cosmologia.Le collaborazioni con istituzioni di fama internazionale leader in specifici settori costituiscono un prezioso contributo per lo sviluppo del progetto ma anche un’occasione di crescita scientifica dei giovani ricercatori che partecipano al progetto che hanno l’opportunità di svolgere stages presso i laboratori di queste Istituzioni.L’obiettivo del programma di ricerca è la progettazione, preparazione e caratterizzazione chimico-fisica, sia sperimentale sia computazionale, di nuovi “green materials” a base di nanoargille. La possibilità della visualizzazione 3D dei risultati computazionali costituisce un forte elemento di novità che conferisce al progetto un valore ancora più significativo. Lo studio che si intende svolgere è una ricerca di base che ricade nella tematica dell’innovazione nanotecnologica e ha l’obiettivo di sviluppare materiali ecosostenibili e ad alto contenuto tecnologico, con possibili impieghi in molteplici settori (biomedico, ambientale, Beni Culturali, bio-packaging) in accordo alla strategia Horizon 2020.Questi obiettivi potranno essere raggiunti funzionalizzando l’allosite, nanoparticella tubolare ampiamente disponibile in natura, a basso costo, atossica, con biopolimeri e/o biotensioattivi provenienti da risorse rinnovabili.Le caratteristiche dell’allosite la rendono potenzialmente competitiva, almeno in alcuni settori, rispetto ai nanotubi di carbonio che nonostante il largo interesse applicativo presentano svantaggi quali scarsa solubilità in acqua, tossicità, elevato costo e bassa disponibilità.L’attività di ricerca si svolge secondo le tre grandi linee: 1) strategie per la stabilizzazione di dispersioni acquose di allosite; 2) nanomateriali intelligenti a base di allosite; 3) modelli computazionali per nanomateriali intelligenti a base di allosite e loro rappresentazione 3D.1) Strategie di stabilizzazione di dispersioni acquose di allositeLa stabilizzazione di allosite in mezzo acquoso ed il suo controllo rappresentano un punto cruciale per l’ottenimento di materiali funzionalizzati sia in fase acquosa sia in fase solida e gel. Saranno verificate diverse strategie di stabilizzazione dei nanotubi di allosite in acqua sia mediante funzionalizzazione con biopolimeri e/o biotensioattivi sia utilizzando metodologie alternative per il processo di dispersione impiegando microonde e ultrasonicazione.Le dispersioni preparate saranno studiate mediante differenti metodologie per delineare il quadro strutturale ed energetico che descrive questi sistemi.Eventuali potenzialità applicative di dette dispersioni riguardano il loro uso come miscele ecologicamente

Layman's description

Obiettivo primario del progetto è sviluppare e progettare nanomateriali composti da nanotubi di argilla in fase acquosa e solida che siano poco costosi, biocompatibili, a bassissimo impatto ambientale e avanzati per applicazioni specifiche.Si vuole, infatti, esplorare la possibilità che un minerale disponibile in natura in quantità elevate come l’allosite avente una struttura cilindrica cava di dimensioni nanometriche, disponibile a basso costo e atossico possa essere di largo interesse applicativo e, almeno in alcuni settori, competitivo con i nanotubi di carbonio.Gli obiettivi che saranno perseguiti nello sviluppo delle tre grandi linee di ricerca (WP1, WP2, WP3) sono di seguito dettagliati.L'obiettivo primario del WP1 riguarda l'aspetto cruciale e fondamentale per le potenziali applicazioni dell'allosite. Infatti, esso è strettamente legato alla possibilità di preparare dispersioni di allosite stabili cineticamente ed omogenee.Al fine di raggiungere questo obiettivo saranno confrontate diverse metodologie di preparazione al fine di evidenziarne la più efficace ed efficiente. A tal fine, si seguiranno tre diverse metodologie: 1)l'agitazione meccanica e riscaldamento (metodo classico); 2) l'applicazione di microonde mediante un applicatore coassiale in situ; 3) l'ultrasonicazione;Stabilita la migliore procedura di preparazione, si varieranno parametri quali la natura del biopolimero e/o biotensioattivo, il pH, ecc. al fine di controllare selettivamente la stabilità di dette dispersioni. A seconda delle condizioni di pH, l’allosite può assumere cariche di segno opposto sulla superficie esterna e nella cavità favorendo la controllabilità dei processi di adsorbimento di molecole sui nanotubi di argilla.In particolare, si verificherà quale tra le strategie di stabilizzazione sterica oppure elettrostatica risulterà vincente.Le dispersioni preparate saranno studiate mediante differenti metodologie per delinearne il quadro strutturale ed energetico. La caratterizzazione chimico-fisica (basata su scattering di raggi X e neutroni, sulle proprietà di diffusione, su tecniche di imaging) combinata con i risultati termodinamici permetterà di correlare le proprietà alle strutture presenti in soluzione.L'obiettivo del WP2 è quello di preparare materiali utili per specifiche applicazioni. In particolare, nanoparticelle di oro, platino, ferromagnetiche o superparamagnetiche saranno sintetizzate all'interno del cavità dei nanotubi di argilla mediante procedura idrotermale che sfrutta il riscaldamento rapido a microonde.La sintesi di sistemi a base di nanoparticelle di oro e argento ha l'obiettivo di ottenere materiali antimicrobici e antibatterici ecosostenibili.La sintesi di nanomateriali magnetici ha l'obiettivo di ottenere materiali biocompatibili per potenziali applicazioni biomediche. Si ricorrerà alla tecnica layer-by-layer per prevenire la diffusione delle nanoparticelle magnetiche e/o per consentire il riconoscimento di target specifici all’interno del tessuto da trattare.La preparazione di films compositi di biopolimeri con nanotubi opportunamente caricati con agenti attivi quali antiossidanti, fungicidi e battericidi ha l'obiettivo di ottenere materiali con proprietà self-healing che rispondano in maniera intelligente a stress meccanici locali o a variazioni chimiche del loro intorno. Le proprietà self-healing possono essere sfruttate per films protettivi di superficie.Una completa caratterizzazione strutturale (AFM, SEM, FIB, SANS, SAXS), spettroscopica (FTIR, microraman) e termodinamica (DSC, FTIR-TGA) di base permetterà di controllare le

Key findings

Nanotecnologie, materiale e produzione
StatoAttivo
Data di inizio/fine effettiva1/1/12 → …