Materiali Pazzeschi: Ho Creato un Film Sottile che Isola dal Caldo ma Conduce Elettricità!

Ciao a tutti! Oggi voglio raccontarvi un’avventura scientifica davvero affascinante in cui mi sono imbattuto. Immaginate di poter creare un materiale che sia un po’ come un supereroe: forte, resistente al caldo, ma con un superpotere nascosto, quello di condurre elettricità. Sembra fantascienza? Beh, non proprio! Sto parlando della creazione di un film nanocomposito a base di ossido di stagno e antimonio (ATO) e polietersulfone (PES). Un nome un po’ complicato, lo so, ma fidatevi, la storia dietro è super interessante.

L’idea di base era quella di combinare le proprietà di due mondi apparentemente opposti: l’isolamento termico tipico di certi polimeri e la conducibilità elettrica di alcuni materiali inorganici. Perché? Pensate alle applicazioni: edifici più efficienti dal punto di vista energetico, tende da campeggio che bloccano il calore solare ma magari possono integrare piccole funzionalità elettroniche, componenti per auto più leggeri e performanti. Le possibilità sono tantissime!

Gli Ingredienti Magici: ATO e PES

Il cuore pulsante di questo progetto sono le nanoparticelle di ATO. L’ATO è un materiale ceramico noto per essere un buon conduttore elettrico e trasparente, ma soprattutto, è più economico del suo “cugino” più famoso, l’ossido di indio e stagno (ITO). La sfida era sintetizzare nanoparticelle di ATO che fossero davvero conduttive, molto più di quelle che si trovano comunemente in commercio. E ci siamo riusciti! Abbiamo messo a punto un processo di sintesi in fase solida che ci ha regalato delle particelle piccolissime (parliamo di circa 15 nanometri, invisibili a occhio nudo!) e con una conducibilità elettrica da urlo, ben 138 volte superiore a quella dei campioni commerciali che abbiamo testato. Un primo grande successo!

Poi c’è il PES (polietersulfone). Questo è il nostro “scheletro”, la matrice polimerica che tiene insieme tutto. Il PES è un materiale fantastico: resistente al calore, robusto, facile da lavorare. Ha solo un “difetto”: è idrofobico (non ama l’acqua) e, soprattutto per il nostro scopo, è un isolante elettrico. La nostra missione era quindi quella di “infiltrarlo” con le nostre nanoparticelle conduttive di ATO.

Il Problema dell’Amalgama: Come Mescolare Olio e Acqua?

Qui arriva una delle parti più complicate. Mescolare delle nanoparticelle inorganiche (come l’ATO) con un polimero organico (come il PES) non è banale. È un po’ come cercare di mescolare olio e acqua. Le nanoparticelle tendono ad aggregarsi tra loro invece di disperdersi uniformemente nel polimero. Se si aggregano troppo, addio conducibilità omogenea!

La soluzione? Abbiamo usato un “agente disperdente”, una molecola che fa da ponte tra le nanoparticelle e il polimero. Dopo vari tentativi con molecole diverse (alcune troppo grandi isolavano le particelle, altre troppo piccole non le stabilizzavano abbastanza), abbiamo trovato il candidato ideale: l’acido oleico (OA). È una molecola con una “testa” che si lega alla superficie delle nanoparticelle di ATO e una “coda” idrofobica che si “scioglie” bene nel solvente organico (NMP, N-metil-2-pirrolidone) in cui abbiamo disciolto il PES.

Abbiamo dovuto giocare un po’ con le quantità. Abbiamo scoperto che, in soluzione, la conducibilità era massima quando il rapporto in peso tra acido oleico e ATO era 0.5. Sembrava la strada giusta!

La Nascita del Film: Casting e Solidificazione

Una volta preparata la nostra “pozione magica” – una soluzione omogenea di nanoparticelle di ATO rivestite di acido oleico e polimero PES disciolti in NMP – è arrivato il momento di creare il film vero e proprio. Abbiamo usato una tecnica chiamata “casting”: abbiamo steso uno strato sottile di questa soluzione viscosa su una lastra di vetro.

Poi, la magia della “separazione di fase”: abbiamo immerso la lastra di vetro con la soluzione in un bagno d’acqua. L’acqua non scioglie il PES, ma “lava via” il solvente NMP. Questo processo fa sì che il polimero e le nanoparticelle si solidifichino, formando un film sottile e flessibile. Sembra semplice, ma richiede tempo (almeno 24 ore in acqua!) per assicurarsi che tutto il solvente se ne sia andato.

Abbiamo preparato diversi film, variando la quantità di ATO all’interno (dal 4.5% fino al 32.2% in peso nel film finale). E qui abbiamo avuto una sorpresa.

Test di Conducibilità: Sorprese e Ottimizzazioni

Ci aspettavamo che tutti i film fossero conduttivi, magari in misura diversa. Invece, solo il film con la concentrazione più alta di ATO (32.2%) mostrava una debole conducibilità, e per di più, non era omogenea! La parte inferiore del film (quella a contatto con il vetro durante il casting) era più conduttiva della parte superiore. Cosa stava succedendo?

La nostra ipotesi è che l’acido oleico, essendo un tensioattivo, durante la fase di solidificazione in acqua tendesse a far “migrare” le nanoparticelle verso il basso, creando un gradiente di concentrazione. Inoltre, il polimero PES, essendo un isolante, avvolgeva le particelle, rendendo difficile il passaggio della corrente elettrica se non c’erano abbastanza particelle vicine tra loro (il famoso “effetto percolativo”).

Dovevamo raggiungere almeno il 32% di ATO per iniziare a vedere conducibilità. Ma volevamo di più: un film omogeneamente conduttivo. Abbiamo ripensato al ruolo dell’acido oleico. Se il rapporto 0.5 era ottimo per la soluzione, forse era troppo per il film solido, isolando eccessivamente le particelle?

Abbiamo fatto una prova audace: abbiamo ridotto drasticamente il rapporto acido oleico/ATO a 0.19, aumentando leggermente la concentrazione di ATO nel film finale fino a circa il 35.8%. Bingo!

Il nuovo film era conduttivo su entrambi i lati (superiore e inferiore) e anche attraverso lo spessore! Abbiamo misurato la resistenza elettrica sulla superficie superiore a diverse distanze: la resistenza aumentava linearmente con la distanza. Questa è la prova che cercavamo: la conducibilità era finalmente omogenea sulla superficie! Sembra che una minore quantità di acido oleico permetta alle nanoparticelle di ATO di “toccarsi” più facilmente, creando percorsi continui per la corrente, pur rimanendo ben disperse nella matrice di PES su scala più grande.

Uno Sguardo da Vicino: Cosa Vedono i Microscopi?

Ovviamente, volevamo vedere come fosse fatto questo film da vicino. Abbiamo usato microscopi potentissimi come il FESEM (Microscopio Elettronico a Scansione a Emissione di Campo) e l’AFM (Microscopio a Forza Atomica).

Le immagini FESEM ci hanno mostrato le nanoparticelle di ATO immerse nella matrice polimerica, sia sulla superficie che all’interno (guardando una sezione trasversale del film). Si vedeva che le particelle erano ben distribuite, ma formavano anche piccoli agglomerati o cluster, quasi come delle “isolette” conduttive nel “mare” isolante del PES.

L’AFM ci ha dato informazioni ancora più dettagliate. Abbiamo mappato la topografia della superficie, che presentava una certa rugosità (circa 40 nanometri) dovuta proprio a questi agglomerati di nanoparticelle. Ma la cosa più spettacolare è stata la “mappa di corrente” (PF-TUNA mode). Questa tecnica permette di vedere dove passa la corrente elettrica sulla superficie su scala nanometrica. E cosa abbiamo visto? La corrente passava esattamente dove c’erano le nanoparticelle di ATO! Le aree conduttive erano distribuite in modo abbastanza omogeneo e si sovrapponevano leggermente, confermando che la corrente poteva effettivamente “viaggiare” lungo tutta la superficie del film. Era la prova visiva che la nostra strategia aveva funzionato!

Resistenza al Calore e Isolamento Termico: La Prova del Nove

Un materiale conduttivo è interessante, ma ricordate l’obiettivo iniziale? Volevamo anche isolamento termico. Abbiamo fatto due tipi di test.

Prima, abbiamo analizzato la stabilità termica con la TGA (Analisi Termogravimetrica), che misura come cambia il peso di un materiale quando viene scaldato. Abbiamo scoperto che i nostri film nanocompositi ATO-PES resistevano a temperature più alte prima di iniziare a decomporsi rispetto al film di solo PES. L’aggiunta di ATO rendeva il materiale più robusto al calore! Interessante notare che la stabilità termica era massima per basse percentuali di ATO, poi diminuiva leggermente, ma aumentava di nuovo quando il film diventava conduttivo (sopra il 32% di ATO). Questo suggerisce che la conducibilità stessa contribuisce a dissipare o riflettere il calore, proteggendo il polimero.

Poi, il test pratico di isolamento termico. Abbiamo costruito un piccolo setup: una lampada a infrarossi (che simula il calore del sole) puntata sul nostro film, e un termometro digitale sotto il film per misurare quanto calore passava attraverso. Abbiamo confrontato il nostro film ATO-PES (quello ottimizzato al 35.8% di ATO) con un film di solo PES. Risultato? Dopo 10 minuti di irraggiamento, la temperatura sotto il film ATO-PES era di 3.2 °C inferiore rispetto a quella sotto il film di solo PES. Non male! Il nostro film dimostrava chiaramente di bloccare meglio la radiazione termica.

Conclusioni e Prospettive Future

Alla fine di questa avventura, siamo riusciti a creare un film nanocomposito organico-inorganico davvero speciale. Abbiamo sintetizzato nanoparticelle di ATO super-conduttive, abbiamo trovato il modo giusto per disperderle nel polimero PES usando l’acido oleico (ottimizzando il rapporto!), e abbiamo messo a punto il processo di fabbricazione per ottenere un film che fosse:

• Conduttivo elettricamente in modo omogeneo.
• Più stabile termicamente del polimero di partenza.
• Un buon isolante termico, capace di bloccare la radiazione solare.

È stata una bella sfida, piena di tentativi, errori e scoperte inaspettate (come l’effetto del rapporto acido oleico/ATO sulla conducibilità del film finale). Ma il risultato è un materiale promettente con potenziali applicazioni nell’edilizia efficiente, nei tessuti tecnici per tende o coperture, e forse anche in altri settori. Chissà quali altre sorprese ci riserveranno questi affascinanti materiali nanocompositi in futuro!

Fonte: Springer