Capitolo introduttivo: Materiali nanocristallini

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Introduzione

I materiali nanocristallini sono stati un argomento di ricerca caldo negli ultimi 30 anni. Questi materiali abbondano nell’industria, colmando il divario tra oggetti molecolari e macroscala. I materiali nanocristallini sono policristalli monofase o multifase a grana ultrafine con granulometrie nell’intervallo 1-100 nm, come illustrato nella Figura 1, l’immagine di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) del rivestimento nanocristallino basato su Fe. Infatti, le dimensioni estremamente piccole e una grande frazione di volume degli atomi si trovano ai confini del grano;d’altra parte, questi materiali consistono in circa 50 vol.% componente cristallina e 50 vol.% componente interfacciale.

Figura 1.

Immagine TEM di rivestimento nanocristallino basato su Fe (immagine inedita).

È riconoscibile che i nanocristalli sono tipicamente specificati come qualsiasi cosa, come materiali policristallini a grana piccola, superfici nanosintetizzate, nanoparticelle e micelle polimeriche; ognuno di loro ha vari usi, dalla somministrazione di farmaci, ai super condensatori, catalizzatori e sensori. Questi materiali sono di interesse per i seguenti motivi:

  1. Le proprietà dei materiali nanocristallini differiscono dalle proprietà dei cristalli singoli e dei policristalli a grana grossa e sono amorfi con la stessa composizione chimica. Questa deviazione è fortemente correlata alla dimensione ridotta dei cristalliti e alla grande quantità di confini di grano tra i cristalliti adiacenti.

  2. Il concetto di materiali nanocristallini sembra autorizzare la lega di componenti che sono immiscibili allo stato solido o fuso. Queste leghe fabbricate potrebbero essere buoni candidati per proprietà avanzate e tecnologicamente meravigliose.

Si vede chiaramente che su scala nanometrica, i materiali nanocristallini contengono una frazione di volume di confine ad alto grano; pertanto i confini di grano e le loro interazioni con il cristallo svolgono un ruolo notevole nelle diverse proprietà. È importante sottolineare che questi materiali nanocristallini, come una nuova generazione di materiali avanzati, hanno proprietà superiori ai materiali policristallini a grana grossa convenzionali. Esibiscono le proprietà meccaniche e fisiche eccezionali quali ad alta resistenza e durezza, modulo elastico basso, duttilità/durezza migliore, affaticamento eccellente e resistenza all’usura, diffusività aumentata, più alta resistività elettrica, densità ridotta, più alto coefficiente di dilatazione termica, calore specifico migliorato, conducibilità termica più bassa e migliori proprietà magnetiche molli.

I materiali nanocristallini possono essere fabbricati mediante condensazione di gas, deposizione di plasma, tecnica di conversione a spruzzo, lega meccanica e altri metodi. Ovviamente, ci sono due approcci per fabbricare i materiali nanocristallini:” top-down “e” bottom-up.”Entrambi gli approcci svolgono un ruolo significativo nell’industria e presentano alcuni vantaggi e svantaggi. L’approccio bottom-up non è una novità nella sintesi dei materiali e spesso enfatizzato nella letteratura sulle nanotecnologie. Infatti, la sintesi tipica dei materiali è quella di costruire atomo per atomo su larga scala ed è stata utilizzata per oltre un secolo in applicazioni industriali. L’approccio bottom-up menziona l’accumulo di un materiale dal basso come molecola per molecola, atomo per atomo o cluster per cluster. Nel processo di crescita dei cristalli, le specie di crescita come atomi, molecole e ioni si assemblano in struttura cristallina una dopo l’altra dopo aver interferito sulla superficie di crescita. Approccio bottom-up promette anche una possibilità preferibile per ottenere materiali nanocristallini con meno difetti, composizione chimica più omogenea, e più alto a breve e lungo raggio di ordinazione. È riconoscibile che l’approccio bottom-up è guidato principalmente dalla riduzione dell’energia libera di Gibbs (ΔG), in modo che i materiali nanocristallini si trovino in uno stato più vicino a uno stato di equilibrio termodinamico. In contrasto con questo, approccio top-down molto probabilmente inserisce stress interno, oltre a contaminazioni e difetti superficiali. L’attrito o la fresatura a sfere è un metodo generico top-down nella realizzazione di nanostrutture, mentre la dispersione colloidale o la riduzione a base di gas è un solito esempio di approccio bottom-up. Il primo produce strutture policristalline con cristallografia irriproducibile e orientamento del grano scarsamente controllato. Quest’ultimo ha generato una collezione riproducibile di strutture e architetture, tra cui leghe, metalli puri, nanostrutture anisotropiche e core-shell. Nella litografia, il processo può essere assunto come un approccio ibrido, poiché la crescita del film sottile è dal basso verso l’alto e l’incisione è dall’alto verso il basso, mentre la nanolitografia è generalmente un approccio dal basso verso l’alto.

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