NanocompositiNanocompositi polimerici:polimerici:

Progetto lauree scientifiche Progetto lauree scientifiche

SCIENZA DEI MATERIALI SCIENZA DEI MATERIALI

NanocompositiNanocompositi polimerici:polimerici:

Relatore : Annalisa ColomboRelatore : Annalisa Colombo Milano Bicocca 7/4/2011Milano Bicocca 7/4/2011

PoSyLIFE:

(Polymer Synthesis forLIFE improving)

GRUPPO GRUPPO DIDI RICERCA: RICERCA: PoSyLIFEPoSyLIFE

Studio: Laurea triennale in restauro di

dipinti policromi mobili;

Sito:

www.mater.unimib.it/utenti/simonutti/

dipinti policromi mobili;

Laurea triennale e specialistica in

Scienza dei Materiali

Ricerca: Dottorato in Nanostrutture e

Nanotecnologie

Cosa faccio…..

Nanocompositi polimerici per l’illuminazione

e per la protezione dei dipinti

Introduzione Introduzione

Particelle inorganiche nanometriche

Matrice polimerica

Nanocompositi polimerici

Dimensioni nano: 10-9 Metri Matrice di plastica, gomma…

�� TrasparenzaTrasparenza

�� Assorbimento Assorbimento UV e IRUV e IR

La possibilità di modulare alcune proprietà:

�� Assorbimento Assorbimento UV e IRUV e IR

�� Stabilità termicaStabilità termica

�� LuminescenzaLuminescenza

�� Proprietà meccanicheProprietà meccaniche

�� Indice di rifrazioneIndice di rifrazione

Filtro UV svolto dalle nanoparticelle di titania!

Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?

Un polimero è una MACROMOLECOLAMACROMOLECOLA

E’ una molecola grande la cui struttura deriva

dall’unione di unità ripetitive, monomeri, legate

con legami covalenti

E’ una molecola grande la cui struttura deriva

dall’unione di unità ripetitive, monomeri, legate

con legami covalenticon legami covalenticon legami covalenti

Unità

(monomeri)

Polimero

Immagine AFM (Da Wikipedia)

Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?

AmorfoAmorfo Semicristallino Semicristallino

Nello stato solidoNello stato solido

AmorfoAmorfo Semicristallino Semicristallino

Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?

OMOPOLIMERIOMOPOLIMERI

LINEARILINEARI RAMIFICATIRAMIFICATI

Un solo tipo di Un solo tipo di monomeromonomero

A scalaA scalaA PETTINEA PETTINE

Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?

COPOLIMERICOPOLIMERI Diversi tipi di Diversi tipi di monomerimonomeri

ALTERNATI

STATISTICO (RANDOM)

A BLOCCHI

Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?

• i polimeri naturali sono quelli che si trovano in natura:

proteine, poli-isopreni (guttaperca, caucciù ecc ),

polisaccaridi (cellulosa, amido, proteine...) e acidi nucleici

(quali l'acido ribonucleico o RNA e l'acido

desossiribonucleico o DNA)

L‘origineL‘origine

desossiribonucleico o DNA)

• i polimeri sintetici sono quelli prodotti dall'uomo. A tale categoria di

polimeri appartengono numerosi composti, tra cui i plastomeri (o

polimeri plastici), gli elastomeri (o polimeri elastici) e le fibre.

Estrazione

petroliopetrolioraffinazione

polimerizzazioneplastica

Immagine da: google immagini

META’ DEL ‘800 1839 Charles Goodyear mescola il caucciù allo zolfo

(vulcanizzazione) producendo un materiale gommoso

1855 Georges Audemars ottiene seta artificiale a partire da

fili di cotone nitrato (Rayon)

INIZIO ‘900 Prima definizione: macromolecola

Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?

Dai polimeri artificiali ai polimeri Dai polimeri artificiali ai polimeri sintetici…sintetici…

INIZIO ‘900 Prima definizione: macromolecola

1907-09 Leo Hendrik Baeckeland, Bachelite, primo

termoindurente (stampaggio)

Produzione di polimeri dal petrolio (gomma sintetica)

Alla DuPont si eseguono le ricerche che portarono alla

produzione del nylon e del neoprene

PRIMA GUERRA

MONDIALE

1963 Giulio Natta, nobel per la messa a punto di catalizzatori

stereospecifici per la polimerizzazione stereochimica selettiva

delle alfa-olefine

META’ DEL ‘900

PLASTICA GOMMA

Dove li puoi trovare? Dove li puoi trovare?

VERNICI

Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?

TESSUTI

Immagine da: google immagini

Come si fa un polimero ? Come si fa un polimero ?

Sintesi POLIMERIZZAZIONEPOLIMERIZZAZIONE

Radicalica

Cationica

Anionica • Poliesteri (PET-bottiglie)

• Poliammidii (nylon, kevlar)

(Perdita di molecola a basso peso molecolare)

per condensazioneper addizione

Anionica

Coordinativa (Natta) • Poliammidii (nylon, kevlar)

• Policarbonati (compact disc)

• Resine fenoliche (montature di occhiali,

caschi, coperchi)

• Poliuretani (schiume, vernici)

• Polisilossani, siliconi (tubi, isolanti)

PS (polistirolo, piatti, bicchieri)

PE (tappi bottiglie, sacchetti, contenitori)

PMMA (pannelli trasparenti)

PP (scatole, pannelli)

PTFE (Teflon)

Nuovi metodi (Nuovi metodi (radicaliciradicalici pseudoviventipseudoviventi))

Nuovi polimeri (copolimeri, polimeri

ramificari dendrimeri)

Come si analizza un polimero? Come si analizza un polimero?

SPETTROSCOPIA SPETTROSCOPIA

INFRAROSSO (IR)

RISONANZA MAGNETICA

NUCLEARE (NMR)

UV-VISIBILE

MASSA

MICROSCOPIA MICROSCOPIA

OTTICA

SEM (ELETTRONICA A SCANSIONE)

TEM (ELETTRONICA A TRASMISSIONE)

A SONDA (STM, AFM)

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE

SPETTROSCOPIA SPETTROSCOPIA MICROSCOPIA MICROSCOPIA

ANALISI DINAMICO

MECCANICA (DMA)

MECCANICA MECCANICA TERMICA TERMICA

CALORIMETRIA A SCANSIONE

DIFFERENZIALE(DSC)

CROMATOGRAFIA CROMATOGRAFIA

A PERMEAZIONE

DI GEL (GPC)

Cosa sono le Cosa sono le nanoparticellenanoparticelle? ?

Uso delle NPs nella storia

a) Coppa romana; b) vetro

color rubino barocchi;

c) colloidi di NPs di oro (size

quantum effect)L’area superficiale delle NPs

� Produzione dei celle fotovoltaiche piu’ efficienti e meno

costose di quelle attuali

� Creazione di materiali porosi per l’immagazzinamento e

trasporto di idrogeno

Alcuni esempiAlcuni esempi

� Miglioramento delle prestazioni delle batterie

� Fabbricazione di materiali ultraleggeri e robusti per la

produzione di automezzi a bassi consumi

�

Storia dell’IlluminazioneStoria dell’Illuminazione

E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726

XX secolo

Luce a gasLuce a gas

Inizio del XXI sec.

Lampadina di EdisonLampadina di Edison

Metà del XXI sec.

Lampadina a Lampadina a

fluorescenzafluorescenza

Oggi

LED allo stato solidoLED allo stato solido

EfficienzaEfficienza luminosaluminosaIl rapporto tra flusso

luminoso (in lumen) e la

potenza (in watts)

Proprietà essenziali della luceProprietà essenziali della luce

E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726 Q.Dai et al., Small, 2010, 6, No. 15, 1577-1588

ResaResa del del colorecoloreL’abilità della sorgente di luce di riprodurre il colore di un oggetto illuminato il

piu’ fedelmente possibile rispetto ad una sorgente ideale o naturale

Spazio di coloreSpazio di colore

LED

Problemi:

Sorgenti allo Stato Solido Sorgenti allo Stato Solido

ModerneModerne

E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726

Problemi:

a) Temperatura

b) Tempo di vita

LED + fosfori

Problemi:

Sorgenti allo Stato Solido Sorgenti allo Stato Solido

ModerneModerne

Problemi:

Bassa modulazione

del colore

Sorgente non

omni-direzionale

E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726 Q.Dai et al., Small, 2010, 6, No. 15, 1577-1588

Illuminazione “a sponda”Illuminazione “a sponda”

I LED sono posizionati su un bordo di una lastra

trasparente che fa da guida d’onda della luce.

NuovoNuovo dispositivodispositivo usandousando LED LED blublu ((InGaNInGaN))

NuovaNuova forma: forma: foglio polimerico nanocomposito

Polimetilmetacrilato − Transparenza ~98% su 1 m

Luce bianca caldaLuce bianca calda

Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue LED LED LED LED LED LED LED LED LightLightLightLightLightLightLightLight

Presenza di diffusori:

Luce bianca caldaLuce bianca calda

NuovoNuovo dispositivodispositivo usandousando LED LED blublu ((InGaNInGaN))

Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue LED LED LED LED LED LED LED LED LightLightLightLightLightLightLightLight

New device using a blue LED light source (New device using a blue LED light source (InGaNInGaN))

PresenzaPresenza didi ““convertitoriconvertitori” e ” e diffusoridiffusori::

Luce bianca

Luce bianca caldaLuce bianca calda

Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue LED LED LED LED LED LED LED LED LightLightLightLightLightLightLightLight

Cielo e SoleCielo e Sole

Immagine presa dopo un’ora dal

tramonto a 500 m di altezza

guardando verso il sole che è caduto

Rayleigh Scattering

Matrice polimerica

Particelle inorganiche Nanoparticelle inorganiche

Matrice polimerica

I diffusoriI diffusori

COMPOSITO POLIMERICO NANOCOMPOSITO POLIMERICO

Le dimensione delle nanoparticelle deve essere intorno ai 100 nm in MMA

1) Cromofori

- Alta resa (~100%)

- Basso tempo di vita

2) Fosfori convenzionaliPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenza

I Convertitori I Convertitori

E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 1274 Q.Dai et al., Small, 2010, 6, No. 15, 1577-1588

S Nizamoglu et al., Nanotechnology , 2007,18

- Dimensione minima ~4-5µm

- Basso assorbimento (alta concentrazione)

- Bassa tunabilità dell’emissione

- Resa intermedia (~70%, minore per rosso)

3) Nanocristalli semiconduttori (QDs)

Perdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenza

1) Preparazione della lastra1) Preparazione della lastra

PrepolimerizzazionePrepolimerizzazione

Monomero MMA AIBN

H3C

CH3

CN

N N

C

CH3

N

CH3

70 °C 30 min

Sciroppo

N

Sciroppo.avi

Nanoparticelle di TiO2

funzionalizzateDispersione in monomero

Dispersione delle Dispersione delle nanoparticellenanoparticelle

e aggiunta convertitorie aggiunta convertitori

Selezione

gravimetrica

Sciroppo Soluzione colloidale

MescolamentoMescolamento

Polimerizzazione:

48 h, 50–70 °C

Curing: 24 h, 95 °C

Lastre di PMMA caricate con 1000 ppm di nanoparticelle di

titania.