Plastica Riciclata Diventa Super-Scudo: La Magia dell’Ossido di Lantanio nei Nuovi Compositi!

Ciao a tutti! Oggi voglio raccontarvi di un’avventura scientifica davvero affascinante che ci porta nel mondo dei materiali avanzati, partendo da qualcosa che, purtroppo, conosciamo fin troppo bene: i rifiuti plastici. Immaginate di poter prendere plastiche comuni come il polistirene (PS) – quello dei piatti e bicchieri usa e getta, per intenderci – e il PVC, un altro “campione” di diffusione, e trasformarli in qualcosa di utile, anzi, di straordinario! È proprio quello che abbiamo cercato di fare.

La Sfida: Dare Nuova Vita ai Rifiuti Plastici

Il problema dei rifiuti plastici è enorme. PS e PVC, in particolare, sono ovunque ma riciclarli meccanicamente non è sempre facile o conveniente. Spesso finiscono inceneriti o, peggio, dispersi nell’ambiente. Da scienziati, la domanda sorge spontanea: possiamo fare di meglio? Possiamo trasformare questo problema in un’opportunità? La risposta che abbiamo esplorato è: sì, mescolandoli con altri materiali per creare qualcosa di nuovo e performante.

Gli Ingredienti della “Ricetta”

La nostra idea è stata quella di creare una miscela ternaria, cioè composta da tre polimeri. Abbiamo preso:

• Polistirene (PS) riciclato: Il classico materiale da imballaggio, leggero ma difficile da riciclare meccanicamente.
• Polivinilcloruro (PVC) riciclato: Robusto, resistente alla corrosione, usato in edilizia, tubi, cavi… ma anch’esso un rifiuto problematico.
• Policaprolattone (PCL): Questo è il nostro polimero “smart”! È biodegradabile, biocompatibile (usato anche in medicina) e ha ottime proprietà meccaniche. È noto per la sua capacità di “memoria di forma”, una caratteristica super interessante.

Ma non ci siamo fermati qui. Per dare una marcia in più a questa miscela, abbiamo aggiunto un “ingrediente segreto”: l’ossido di lantanio (La2O3). Il lantanio è una “terra rara”, un elemento con un numero atomico elevato. Questo, come vedremo, è fondamentale per una delle proprietà che volevamo ottenere: la schermatura dalle radiazioni gamma. Inoltre, l’La2O3 ha interessanti proprietà da semiconduttore di tipo p.

Come Abbiamo Creato i Compositi

Il processo è stato relativamente semplice, si chiama “metodo della soluzione”. In pratica, abbiamo sciolto i tre polimeri (PS, PVC, PCL nelle giuste proporzioni) in un solvente adatto (THF, tetraidrofurano). Separatamente, abbiamo disperso la polvere di La2O3 nello stesso solvente usando un omogeneizzatore a ultrasuoni per distribuirla al meglio. Poi abbiamo unito le due soluzioni, mescolato bene e versato il tutto in piastre Petri. Abbiamo lasciato evaporare il solvente in un forno a 40°C per 24 ore, ottenendo delle sottili pellicole di materiale composito. Abbiamo preparato campioni con diverse percentuali di La2O3 (0%, 5%, 10%, 20%, 30%) per vedere come cambiavano le proprietà.

Cosa Abbiamo Scoperto: Struttura e Interazioni

La prima cosa che abbiamo voluto vedere è stata la struttura interna di questi nuovi materiali. Usando la diffrazione a raggi X (XRD), abbiamo notato qualcosa di molto interessante. La miscela di polimeri di partenza (senza La2O3) mostrava picchi cristallini dovuti principalmente al PCL (che è semi-cristallino), mentre PS e PVC sono amorfi. Aggiungendo l’ossido di lantanio, però, abbiamo visto comparire nuovi picchi cristallini, propri dell’La2O3, e l’intensità generale della cristallinità del composito aumentava con la quantità di ossido aggiunto. Questo ci dice che l’La2O3 si distribuisce fisicamente all’interno della matrice polimerica, rendendo il materiale complessivamente più “ordinato” a livello atomico.

Poi, con la spettroscopia infrarossa (FTIR-ATR), abbiamo cercato di capire se ci fossero interazioni chimiche tra i polimeri e l’ossido. Abbiamo osservato i segnali caratteristici dei legami C-H dei polimeri e del legame -C=O del PCL. È interessante notare che l’intensità di quest’ultimo picco diminuiva all’aumentare dell’La2O3, forse perché le particelle di ossido si interpongono tra le catene polimeriche. Abbiamo anche visto comparire picchi attribuibili all’La2O3 nei compositi, suggerendo una buona interazione tra l’ossido e la matrice polimerica.

Guardando i campioni al microscopio elettronico a scansione (SEM), abbiamo avuto la conferma visiva di una distribuzione piuttosto omogenea dell’ossido di lantanio all’interno della miscela polimerica, specialmente a basse concentrazioni. A concentrazioni più alte (30%), si distinguevano chiaramente le particelle di La2O3 (più chiare) immerse nella matrice polimerica (più scura).

Comportamento Termico e Memoria di Forma

Abbiamo scaldato i nostri campioni per vedere come si comportavano (usando DSC e TGA). La miscela pura mostrava un picco di fusione intorno ai 62°C, tipico del PCL. Aggiungendo La2O3, questa temperatura di fusione tendeva a diminuire leggermente. Analizzando la perdita di massa con l’aumento della temperatura (TGA), abbiamo notato che i compositi con La2O3 iniziavano a degradarsi a temperature leggermente inferiori rispetto alla miscela pura, ma la quantità di materiale residuo a 500°C era influenzata dalla decomposizione dell’ossido stesso, un comportamento diverso da altri studi con ossidi più stabili.

E la memoria di forma? L’abbiamo testata! Abbiamo preso un pezzetto di composito, l’abbiamo immerso in acqua calda (sopra la sua temperatura di transizione vetrosa) per ammorbidirlo, gli abbiamo dato una forma temporanea (ad esempio, piegandolo), l’abbiamo raffreddato in acqua fredda per “fissare” questa forma. Ebbene, immergendolo di nuovo in acqua calda, il campione tornava magicamente alla sua forma originale! Questa proprietà, ereditata dal PCL, è stata mantenuta nei nostri compositi. Fantastico, no?

Proprietà Ottiche: Verso i Semiconduttori?

Abbiamo poi “illuminato” i nostri film sottili con luce UV e visibile per studiarne le proprietà ottiche. Abbiamo visto che l’assorbimento della luce aumentava all’aumentare della quantità di La2O3. Questo è logico: più particelle ci sono, più luce viene assorbita. Ma la cosa più eccitante è stata calcolare il “band gap” energetico (Eg) di questi materiali. Il band gap ci dice quanta energia serve per far muovere gli elettroni e rendere il materiale conduttivo. Per la miscela pura, il valore era di circa 4.02 eV (tipico di un isolante). Aggiungendo La2O3, questo valore scendeva fino a 3.87 eV per il campione al 30%. Una diminuzione del band gap significa che il materiale si avvicina al comportamento di un semiconduttore! Questo apre porte interessantissime per potenziali applicazioni in campo elettronico. La presenza dell’La2O3 e le interazioni con i polimeri creano nuovi stati elettronici localizzati che facilitano le transizioni degli elettroni.

La Vera Star: La Schermatura dai Raggi Gamma

Ed eccoci al pezzo forte: la capacità di schermare le radiazioni gamma. Queste radiazioni sono molto penetranti e pericolose, e trovare materiali leggeri, economici ed efficaci per proteggersi è una sfida continua (pensate alle applicazioni mediche, nucleari, aerospaziali). Abbiamo testato i nostri compositi usando sorgenti radioattive standard (Cesio-137 e Cobalto-60) e misurato quanto le radiazioni venivano attenuate passando attraverso il materiale.

Abbiamo calcolato diversi parametri chiave:

• Coefficiente di attenuazione lineare (LAC): Misura la probabilità che la radiazione interagisca con il materiale per unità di spessore. Più alto è, meglio è.
• Spessore di dimezzamento (HVL): Lo spessore di materiale necessario per ridurre l’intensità della radiazione della metà. Più basso è, meglio è.
• Spessore del decimo valore (TVL): Lo spessore necessario per ridurre l’intensità a un decimo. Anche qui, più basso è, meglio è.
• Cammino libero medio (MFP): La distanza media che un fotone gamma percorre prima di interagire. Più basso è, meglio è.

I risultati sono stati davvero incoraggianti! Come ci aspettavamo, all’aumentare della percentuale di La2O3 (che ha un alto numero atomico), il valore del LAC aumentava significativamente, mentre i valori di HVL, TVL e MFP diminuivano. Questo significa che i compositi con più ossido di lantanio sono molto più efficaci nel bloccare le radiazioni gamma.

Il campione con il 30% di La2O3 è risultato il migliore del gruppo. Ma la cosa più sorprendente è stata confrontare i nostri risultati con quelli presenti in letteratura per altri materiali schermanti, anche quelli contenenti piombo (che è efficace ma tossico). Ad esempio, a 661 keV (l’energia del Cesio-137), il nostro composito al 30% di La2O3 ha mostrato un LAC di 1.028 cm⁻¹. Questo valore è risultato paragonabile a quello di un polistirene caricato con il 35% di ossido di piombo! E a energie più alte (quelle del Cobalto-60), i nostri valori erano decisamente superiori a quelli riportati per altri compositi polimerici con ossidi di terre rare a concentrazioni simili o inferiori.

Conclusioni: Un Futuro Brillante per i Rifiuti?

Quindi, cosa ci portiamo a casa da questa ricerca? Siamo riusciti a prendere comuni rifiuti plastici (PS e PVC), mescolarli con un polimero smart (PCL) e potenziarli con ossido di lantanio. Il risultato è un nuovo materiale composito che:

• Valorizza rifiuti difficili da riciclare.
• Possiede la proprietà “intelligente” della memoria di forma.
• Mostra proprietà ottiche promettenti, avvicinandosi a un comportamento semiconduttore.
• Soprattutto, offre eccellenti capacità di schermatura contro le radiazioni gamma, potenzialmente paragonabili a materiali tradizionali a base di piombo ma senza la sua tossicità.

Questi compositi sottili e flessibili potrebbero aprire la strada a nuove tecnologie per indumenti protettivi, schermature leggere per dispositivi elettronici o applicazioni in campo medico e nucleare. È un esempio affascinante di come la scienza dei materiali possa offrire soluzioni innovative a problemi ambientali, trasformando i rifiuti in risorse preziose per il futuro. C’è ancora strada da fare, ma i risultati sono davvero promettenti!

Fonte: Springer