Nanotecnologie e Nanomateriali

L’applicazione dei nanomateriali alla conservazione del patrimonio artistico rappresenta ormai un settore innovativo, ricco di potenzialità e in continua evoluzione e l’obiettivo del questo settore, di approfondire nuove proprietà fisiche e realizzare nuovi potenziali applicazioni dei nanomateriali, come pure la capacità di produrli, è diventato ormai la base indispensabile nel campo delle nanotecnologie, in quanto la possibilità di poter essere utilizzati in diverse applicazioni, spesso richiede lo sviluppo di metodi per la produzione di nanoparticelle con stretto controllo sulla dimensione, forma e struttura cristallina. Oggigiorno sappiamo che, esistono due approcci per la sintesi di nanoparticelle (Fig.1) : il top-down e il bottom-up.

Figura1 : Rappresentazione dei metodi top – down e bottom – up

“top-down”(approccio fisico), consiste nel raggiungere le dimensioni nanometriche, partendo da un materiale di dimensioni maggiori, dove il materiale massivo, “bulk”, viene suddiviso in particelle più piccole, usando energia di tipo meccanico, chimico o in altre forme.

“bottom-up” (approccio chimico), detto anche “nanotecnologia molecolare”, si riferisce alla sintesi del materiale nanoparticellare attraverso la condensazione di atomi, molecole o radicali permettendo così al precursore di accrescere con le dimensioni e le caratteristiche desiderate.

La maggior parte dei sistemi di sintesi ha come principali obiettivi quelli di controllare:

a) le dimensioni delle particelle;

b) la loro forma;

c) la distribuzione delle dimensioni;

d) la composizione;

e) il grado di agglomerazione (nel caso siano sistemi colloidali) e il controllo di questi parametri è diventato sempre più necessario, in quanto, la corrispondenza struttura- proprietà è evidenziato dalle elevate, ma ancora sconosciute, potenzialità dei nanomateriali.

Il punto forte rappresentato da questi materiali consiste nel fatto di essere caratterizzati da un alto rapporto area/volume, ossia da un’elevata area superficiale che condiziona fortemente il loro comportamento fisico, e non solo. La riduzione delle dimensioni è importante per facilitare la dispersione di particelle solide in solventi, per poi essere facilmente applicate a pennello, spruzzate o depositate goccia a goccia sulle superfici artistiche.

Un altro vantaggio correlato alla minore dimensione delle particelle è quello di favorire la penetrazione attraverso matrici porose, come dipinti murali, rivestimenti superficiali, minimizzando il rischio di formazione di opacizzamento delle superfici .

I nanomateriali non sono però i soli ad aver attratto l’attenzione della comunità scientifica. Composti organici nanostrutturati sono infatti uno dei soggetti maggiormente studiati, come è testimoniato da un consistente numero di pubblicazioni scientifiche su tale argomento. Pertanto, le nanoparticelle sono utili anche per migliorare le proprietà dei nanocomposti trai quali compositi ibridi organico-inorganici, costituiti normalmente da una matrice polimerica legante e da cariche inorganiche (particelle).

Tali composti, presentano almeno una componente con dimensioni nanometriche ed esibiscono prestazioni migliori rispetto alle tradizionali matrici completamente polimeriche in termini di proprietà meccaniche, resistenza chimica, protezione contro le radiazioni UV.

Questo implica che, l’uso di nanomateriali oggi consente, nuove straordinarie combinazioni, che permettono di migliorare le proprietà dei tradizionali prodotti commerciali.

Con tal intento, la variazione delle proprietà chimico-fisiche di un rivestimento protettivo, può essere ottenuta tramite un’adeguata miscelazione del materiale di rivestimento con una opportuna scelta di nanoparticelle e in questo modo, il nanocomposito sviluppato può essere adattato alle diverse finalità richieste dall’applicazione considerata.

Di seguito viene riportata una panoramica dei nanocompositi polimero/particella più ampiamente studiati e testati nei ultimi anni. Questa categoria di composti smart surfaces (superfici inteligenti), può essere suddivisa, in base alla classe polimerica del “disperdente” impiegato nel composito, in:

· solvente, soprattutto gli alcool e soluzioni acquose in presenza di surfattanti;

· polialchilsilossani/polisilani, in cui generalmente vengono utilizzati prodotti commerciali storicamente già impiegati nel consolidamento dei beni culturali, tra

i quali: TEOS;

· resine acriliche, come Paraloid B72 (copolimero metilmetacrilato/etilmetilacrilat);

· poli(uretano carbonato), recentemente utilizzato come coating per il tufo;

· ibridi: sono una nuova classe di materiali sempre più interessanti per le loro straordinarie proprietà derivanti dalla combinazione di diversi disperdenti misti di silossani/silani con resine acriliche.

In tal senso, molto interessanti sono diversi studi, che confermano, le potenzialità della dispersione di nanoparticelle di SiO2 nei composti organici.
A tal proposito si è dimostrato che, disperdendo nanoparticelle di silicio in vari prodotti commerciali (organosilossani e altri polimeri), si arriva a migliorare le proprietà idrorepellenti delle aree trattate, raggiungendo in questo modo ottimi risultati, con un angolo di contatto fino a 160°, risultato che indica che le nanoparticelle aumentano la natura idrofoba del film. Inoltre, è stato dimostrato che superidrofobicità e idrorepellenza si ottengono quando sono utilizzate alte concentrazioni di nanoparticelle per la produzione delle pellicole composite (silossano-nanosilice).

Oltre a questo, è stato dimostrato che, le nanoparticelle di silice, conferiscono elasticità ai gel ottenuti (nel caso TEOS), proprietà fondamentale che rende i materiali meno sensibili al fenomeno di crettatura in fase di asciugatura. Senza dubbio ci sono anche alcuni aspetti negativi del loro utilizzo, in quanto, è stato dimostrato che l’uso di nanoparticelle comporterebbe una diminuzione della permeabilità al vapore acqueo e causerebbe un aumento di valori di luminosità del substrato, al aumentare della loro concentrazione. Infatti superati certi limiti (2%) vi è una considerevole variazione di colore del litotipo trattato.

La “nanotecnologia” fu introdotto dal premio Nobel Richard P. Feynman nel corso della sua conferenza del 1959 “There’s Plenty of Room at the Bottom”(Amoroso G.,2002) e il termine fu definito dalla National Nanotechnology Initiative (NNI) come “l’insieme dei metodi e delle tecniche che consentono la manipolazione della materia su scala atomica e molecolare, il cui obiettivo è quello di costruire materiali e prodotti con caratteristiche chimico-fisiche-meccaniche del tutto peculiari”( Baglioni P., 2006, 2009). Dalla terminologia, infatti si desume che, i nanomateriali sono definiti in tale modo dovuto alle loro dimensioni comprese nell’intervallo 1-100 nanometri, dove il prefisso nano derivante dal greco ναννοσ, “di piccola statura” corrisponde nel sistema metrico internazionale al fattore di 10-9, 1 nm, che equivale, nella scala del metro a 1×10-9 m, ovvero ad un miliardesimo di metro.