Crescita di Materiali Nanostrutturati e Funzionali
Referente: Verucchi Roberto
Nanostrutture di ossidi metallici
   PER MAGGIORI INFORMAZIONI: Davide Calestani - +39 0521269279 - davide.calestani@imem.cnr.it


Molti ossidi metallici sono materiali funzionali con proprietà chimiche e fisiche utili ed interessanti per tantissimi tipi di applicazione.
Quando ottenuti in forma di nanostrutture bi- e mono-dimensionali, o quasi, alle loro proprietà tradizionali si sommano alcune nuove e peculiari derivanti dall'elevato rapporto superficie/volume, dalla maggiore reattività superficiale, dall'impatto delle ridotte dimensioni sulle proprietà di trasporto elettrico o del calore, dall'insorgere di effetti di quantizzazione.
Molte di queste proprietà, inoltre, possono essere controllate e talvolta “regolate a piacere” attraverso la modifica della loro dimensione, del loro “livello di drogaggio” o l’accoppiamento con altre nanostrutture.

IMEM si occupa da quasi vent'anni della sintesi e dello studio di queste nanostrutture per impiegarle in diversi settori, come ad esempio la sensoristica di gas e sostanze volatili, la foto-catalisi per la riduzione degli inquinanti, le applicazioni nella diagnostica biomedicale, il fotovoltaico, l’elettronica, l’optoelettronica e lo studio della fisica di base.

Di seguito è possibile avere qualche informazione in più su:

 

Nanofili di SnO2, In2O3, Ga2O3, CuO e PbO

Nanofili di diversi ossidi metallici, come ad esempio ossido di stagno (SnO2), ossido di indio (In2O3), ossido di gallio (Ga2O3), ossido di rame (CuO) o ossido di piombo (PbO) sono stati ottenuti mettendo a punto un processo di sintesi da fase vapore utilizzando solo ossigeno e il rispettivo metallo, così da ottenere nanostrutture ad elevata purezza

SnO2 and In2O3 nanowires
Ga2O3 and PbO nanowires
Immagini SEM di nanofili di ossido di stagno (SnO2), ossido di indio (In2O3), ossido di gallio (Ga2O3) o ossido di piombo (PbO) prodotti all’IMEM

Nanofili di SnO2, In2O3 e CuO sono particolarmente interessanti per realizzare sensori di gas, i nanofili di CuO vengono anche impiegati per fotocatalisi e water-splitting, i nanofili di Ga2O3 possono essere utilizzati per rivelare i raggi UV, mentre i nanofili di ossido di PbO sono molto promettenti per realizzare rivelatori di raggi X miniaturizzati.

Nanotetrapods e altre nanostrutture di ZnO

L’ossido di zinco (ZnO) è di per sé un materiale cosiddetto “multifunzionale”, ovvero che possiede numerose proprietà chimiche e fisiche che possono essere sfruttate, in alcuni casi anche contemporaneamente, per diversi tipi di “funzioni” (semiconduttore, piezoelettrico, chemoresistore, emettitore UV, conduttore trasparente, etc.).
Questa grande versatilità, se combinata con le numerose nanostrutture che è possibile ottenere con questo materiale, rende lo ZnO un caso eccezionale.

ZnO nanostructures 1
ZnO nanostructures 2
Immagini SEM di diversi tipi di nanostrutture di ZnO prodotte all’IMEM

Tramite sintesi da fase vapore, facendo reagire opportunamente vapori di zinco metallico e ossigeno, è stato possibile realizzare nanostrutture con tantissime morfologie diverse. In particolare sono stati messi a punto i processi per ottenere tre di queste nanostrutture in modo omogeneo e non mescolate ad altre: nanofili, nanobastoncini (meglio conosciuti come “nanorod”), e nanotetrapod.
I nanotetrapods possono essere prodotti in grandi quantità e sono stati utilizzati soprattutto per realizzare sensori di gas.
I nanorod, invece, possono essere ottenuti anche da soluzione, tramite un processo chimico a temperatura più bassa (<110°C) di quella usata per la sintesi in fase vapore. Questo processo garantisce un minore livello di purezza rispetto alla sintesi da fase vapore, ma permette di ricoprire di nanorod in modo omogeneo superfici molto più ampie.

Modificare le proprietà delle nanostrutture accoppiandole ad altri nanomateriali

Le notevoli proprietà di queste nanostrutture possono essere ulteriormente ampliate se le si combina con quelle di altri nanomateriali accoppiati sulla superficie. In questo modo è possibile o sommare nuove proprietà agli ossidi nanostrutturati (ad esempio proprietà magnetiche, assorbire la luce visibile, catalizzare la reattività con alcune specie chimiche) o modificare quelle già presenti.

functionalized ZnO 1
Functionalized ZnO 2
Immagini SEM di nanostrutture di ZnO accoppiate a diversi materiali: un ossido di ferro (Fe2o3) magnetico, un semiconduttore organico (titanil-ftalocianina - TiOPc), oro (Au), un semiconduttore a base zolfo (solfuro di camio – CdS).

Questo principio è stato applicato soprattutto alle nanostrutture di ossido di zinco, permettendo di ottenere ad esempio foto-catalizzatori che purificano l’acqua e possono essere recuperati con un magnete grazie all'aggiunta di nanoparticelle magnetiche

In modo analogo, ottimizzando tecniche di accoppiamento diverse, è stato possibile realizzare celle fotovoltaiche ibride, substrati per l'analisi SERS di cellule e altre sostanze organiche, sensori di gas più selettivi per alcune sostanze specifiche.

Integrare le nanostrutture di ZnO su materiali tradizionali per renderli “intelligenti”

Grazie alla tecnica di sintesi chimica da soluzione, che è possibile condurre a temperature relativamente basse, è stato possibile depositare nanorods di ZnO su diversi materiali commerciali, come ad esempio fibre di carbonio, fibre tessili, fili metallici.

ZnO smart materials
Immagini SEM di diversi materiali commerciali che sono stati rivestiti di nanorod di ZnO: un filo d’oro (Au), alcune fibre di carbonio (CFs), un filo di rame (Cu), una fibra tessile di poliestere (polyester), un filo di platino (Pt).

Questo processo è alla base della nanotecnologia sviluppata per integrare dispositivi in materiali di uso comune e renderli così “intelligenti” (“smart-materials”).
Ad esempio aggiungendo i nanorods di ZnO su fibre di carbonio è stato possibile realizzare materiali compositi in grado di misurare gli sforzi e le vibrazioni a cui sono sottoposti.

 

Pubblicazioni

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