domenica 16 marzo 2014

Applicazioni delle nanotecnologie

 PROGETTO SCIENZATTIVA

APPLICAZIONI DELLE NANOTECNOLOGIE
dalla presentazione della prof.ssa Elena Tresso
(Università di Torino)

Cosa possono fare le nanotecnologie in relazione al problema energetico? Non potranno certamente risolvere subito tutti i problemi, prima di tutto dobbiamo cercare di ridurre il consumo energetico, poi sicuramente la nanotecnologia potrà darci una mano ad ottimizzare l'uso delle fonti rinnovabili, in particolare il sole.
Nel sito "Nanoforum" c'è la rappresentazione di un albero i cui rami sono le possibili applicazioni della nanotecnologia. In particolare possiamo citare:
1) l'isolamento;
2) la termoelettricità;
3) l'energia portatile;
4) il solare;
5)la produzione di idrogeno.
Vediamo adesso 3 esempi di come le nanotecnologie possono essere applicate.
Esempio 1: parleremo di celle solari al succo di mirtillo.
Esempio 2: vedremo come ottenere idrogeno a partire dall'acqua simulando una fase della fotosintesi.
Esempio 3: vedremo come sia possibile ottenere energia elettrica dai rifiuti organici.

ESEMPIO N°1: CELLE FOTOVOLTAICHE SENSIBILIZZATE CON I COLORANTI.

La cella solare in questo caso viene sensibilizzata con un colorante, che in inglese si dice "dye". E' composta da materiali nanostrutturati. Vengono utilizzate nanoparticelle di biossido di titanio, TiO2. Questa è una sostanza molto usata: per la produzione di vernici, di dentifrici, di creme. Si tratta di un materiale non inquinante, non dannoso e poco costoso. Le sue nanoparticelle vengono rivestite da un colorante, che può essere sia naturale che artificiale, per esempio succo di mirtillo. Nella cella vi è poi un elettrolita liquido, a base di iodio. Il tutto è inserito tra due vetri rivestiti da ossidi trasparenti conduttori e da un catalizzatore al platino. Si ottiene così una specie di "panino" fatto di materiali non inquinanti e poco costosi. La luce colpisce il colorante che assorbe il fotone, questo provoca il trasferimento di un elettrone all'ossido di titanio, l'elettrone passa poi attraverso le nanoparticelle , arriva allo strato conduttore e viene fatto uscire dal sistema per alimentare il nostro dispositivo (l'apparecchio da far funzionare). L'elettrone torna poi in ciclo in quanto l'elettrolita ridà l'elettrone al colorante. L'elettrolita è a base di molecole I3-, le quali si convertono in 3I- liberando un elettrone. In questo sistema è molto importante l'impacchettamento, che viene detto packaging, perchè non deve perdere liquido nel tempo. Questo sistema è stato introdotto molti anni fa da un ricercatore svizzero e da allora è stato studiato ed ottimizzato. Le molecole adatte ad essere utilizzate come coloranti possono essere: il succo d'uva, le antocianine estratte dai pigmenti dei fiori, i pigmenti del vino e infine anche coloranti sintetici a nanoparticelle come i cosiddetti "quantum dots". Le celle che così si producono non sono legate ad un solo tipo di colorante o di colore, ma possono avere vari colori, pertanto trovano interessanti applicazioni in campo architettonico. I nanocristalli migliorano il fenomeno di cattura dei fotoni in base alla loro organizzazione strutturale. La luce rimane praticamente intrappolata ed ha maggiore probabilità di essere assorbita dal sistema e trasformata in corrente elettrica. Per migliorare l'efficienza di raccolta dei fotoni si possono utilizzare anche i nanotubi, si tratta di strutture ben allineate attraverso le quali viene facilitato il passaggio degli elettroni, tuttavia vi è uno svantaggio legato alla superficie del nanotubo, che è molto piccola, pertanto si deve utilizzare meno colorante per ricoprirlo. Attualmente si stanno studiando morfologie intermedie basare sull'uso dell'ossido di zinco, ZnO, grazie al quale si possono sintetizzare nanostrutture con delle ramificazioni, tipo i coralli. Un altro suggerimento per migliorare l'efficienza di questi dispositivi è quello di migliorare la stabilità nel tempo tramite l'uso di materiali plastici nei quali viene inserito l'elettrolita, praticamente si tratta di membrane flessibili, che sigillano il liquido a base di iodio ed evitano così la sua perdita nel tempo. On line possiamo vedere molte immagini di applicazioni architettoniche di questi pannelli solari, con soluzioni molto innovative (vedi slides della presentazione). Le celle solari risultano così integrate nell'edificio, possiamo utilizzare colori diversi, sfruttare la loro flessibilità, si possono realizzare dei disegni. La Apple pensava di dotare i suoi computer di questi dispositivi ma purtroppo la loro effiecenza è ancora alquanto bassa. Altre idee possono essere quella di utilizzarli come pannelli di separazione tra gli ambienti di una casa o come quadri da appendere alle pareti. Questi pannelli possono così alimentare lampade oppure alimentare un tavolo sul quale possiamo ricaricare tutte le nostre apparecchiature elettriche portatili. Viene sfruttata anche la luce diffusa, non solo quella diretta. La Sony ha già commercializzato delle lampade che catturano la luce solare di giorno e di notte questa alimenta dei led. 
Vediamo due video che spiegano la composizione e l'uso di questi dispositivi.



ESEMPIO N°2: UN COMBUSTIBILE PULITO DALL'ACQUA

Altro esempio di applicazione dei materiali nanotecnologici è la messa a punto di celle solari per produrre idrogeno a partire dall'acqua. Sappiamo che l'idrogeno è un combustibile pulito e sarebbe una grande vantaggio ottenerlo dall'acqua non tramite l'elettrolisi, per la quale serve comunque energia elettrica, ma sfruttando il sole. I dispositivi attualmente in fase di studio imitano la prima fase della fotosintesi clorofilliana nella quale avviene questo primo step:

acqua + energia solare ---> idrogeno + ossigeno

Potendo imitare questo passaggio, avremo un combustibile pulito con una fonte di energia pulita. Il nostro dispositivo raccoglie la luce solare su un fotosistema che scatena la dissociazione dell'acqua formando da un parte ossigeno e dall'altra la coppia costituita da ione idrogeno H+ e un elettrone. La cosa essenziale è quella di separare immediatamente l'ossigeno dagli ioni idrogeno, per impedire che, venendo in contatto, tornino di nuovo a dare acqua. Per estarre subito gli ioni H+ prodotti si utilizza una membrana selettiva nanotecnologica. L'idrogeno viene fatto passare attraverso questa membrana e viene convogliato in una zona in cui H+ ed elettrone si ricombinano per dare il gas idrogeno, H2. La membrana è costituita da nanotubi al carbonio e un polimero chiamato Nafion. La membrana viene attraversata dagli ioni H+ e dagli elettroni che, lontani dall'ossigeno, rigenerano il gas. In pratica nel sistema entra acqua ed esce gas, tanto è vero che si notano le bolle di gas. Anche in questo caso si stanno studiando vari accorgimenti per migliorare l'efficienza del sistema. Per esempio si cerca di ridrre la distanza fra gli elettrodi allo scopo di minimizzare la resistenza elettrica della cella. La luce fa funzionare il fotocatalizzatore presente nel sistema. Il MIT sta studiando a fondo questo dispositivo, tanto è vero che possiamo vedere qui sotto un video relativo a questi studi. Si tratta praticamente della sintesi di foglie artificiali.


ESEMPIO N°3: ENERGIA ELETTRICA DAI RIFIUTI ORGANICI

Terzo ed ultimo esempio di applicazioni della nanotecnologia è il dispositivo che permette di ottenere energia elettrica dai rifiuti organici. Si tratta di celle a combustibile microbiologiche. Il sistema è molto innovativo e risponde a due problematiche: la produzione di energia elettrica e il riutilizzo di materiali di scarto. Nelle acque di scarico sono presenti sostanze organiche che possono essere impiegate come produttori di energia. Vengono sfruttati dei batteri che hanno la caratteristica di rilasciare elettroni nel loro metabolismo. La loro attività metabolica in generale è molto complessa, tuttavia ciò che interessa è che prevede il passaggio di elettroni, i quali vengono intercettati e prelevati facendoli passare attraverso un circuito esterno.
Per finire, ecco un'interessante puntata della trasmissione Geo Scienza, in cui gli esperti dell'IIT illustrano alcune interessanti applicazioni delle nanotecnologie. 

GEO SCIENZA: APPLICAZIONI DELLE NANOTECNOLOGIE


martedì 11 marzo 2014

ScienzAttiva: fase deliberativa


LINEE GUIDA PER LA COSTRUZIONE DI UNA PROPOSTA DELIBERATIVA PER SCIENZATTIVA

Entro la fine di marzo le classi devono inviare una loro proposta di lavoro per il prossimo anno scolastico. La proposta può essere inviata sia dagli stduenti che dai docenti.

Perché una proposta sia ben strutturata dovrebbe prevedere:

Un ambito di intervento, definito dai seguenti 2 criteri:

A) Dimensione territoriale (domestico, scolastico, comunale, provinciale, regionale, nazionale,

internazionale,...)

B) Dimensione temporale (periodo preso in considerazione; es. “nei prossimi 5 anni...”)

I provvedimenti, per ognuno dei quali dovranno essere evidenziati i seguenti aspetti:

  1. Cosa – oggetto e obiettivi dell’intervento
  1. Chi - attuatori del provvedimento (singoli cittadini, famiglie, scuole, associazioni, Enti pubblici,...)
  1. Destinatari del provvedimento
  1. Come – strumenti e risorse (anche finanziarie) necessari all’attuazione del provvedimento.

Per facilitare il lavoro delle classi, per quanto riguarda il 'Cosa', suggeriamo di seguito alcune tipologie di provvedimento:

- Progetti di ricerca di base

- Progetti applicativi di tecnologie/terapie

- Proposte legislative

- Proposte per la ricerca fondi destinati a ricerca/innovazione/istruzione/comunicazione...

- Azioni di comunicazione/informazione

- Innovazione dei metodi didattici

PROPOSTA DELL'INSEGNANTE:
AMBITO D'INTERVENTO: scolastico
DIMENSIONE TEMPORALE: un anno scolastico
COSA: costruzione di un'unità di apprendimento sulla nanotecnologia
CHI: consiglio di classe di una classe seconda
DESTINATARI: studenti di una classe seconda
COME: incontri di programmazione tra i docenti, incontro con un esperto esterno, svolgimento delle lezioni con l'utilizzo della didattica web 2.0; adeguate risorse finanziarie. 

Semiconduttori

La tecnologia fotovoltaica 






martedì 4 marzo 2014

Progetto ScienzAttiva: domande agli esperti.





Ecco una serie di interessanti domande che sono scaturite in classe dalla discussione sulle applicazioni delle nanotecnologie e che  intediamo porre agli esperti dell'Università di Torino nell'ambito del progetto ScienzAttiva.eu. Le domande andranno spedite agli interessati attraverso la mail-box del sito www.scienzattiva.eu.

GIACOMO
In classe, riguardo alle applicazioni delle nanotecnologie, abbiamo parlato di un particolare materiale spugnoso che sarebbe capace di assorbire solo gli olii e non l'acqua. Penso che sarebbe fondamentale per risolvere tanti casi di inquinamento. Quando sarà possibile produrlo su larga scala? I costi sarebbero sostenibili? L'uso di questi materiali comporterebbe qualche effetto secondario non gradito?

DANIEL
Perchè i materiali nanotecnologici spugnosi che assorbono selettivamente gli idrocarburi non sono già in produzione ma esistono solo in forma di prototipi dell'IIT? Quali sono i problemi che possono esserci sulla diffusione su larga scala, in campo tecnico ed economico?

MASSIMILIANO
In che modo la nanotecnologia può aiutare la vita dell'uomo in campo medico?
Qual è il principale utilizzo nel settore della nanoingegneria?

MICHELE
A scuola, oltre che di nanotecnologia, abbiamo parlato anche della fusione fredda e di un reattore, detto e-cat, attualmente in studio, capace di produrre energia pulita grazie alla fusione nucleare a basse temperature. C'è qualche attinenza con la nanotecnologia? Visto che nel dispositivo l'uso del catalizzatore è fondamentale, possono le nanotecnologie dare una mano all'implementazione del reattore? E' prevista questa applicazione?

RICCARDO
In classe abbiamo visto come funziona il miscroscopio a scansione ad effetto tunnel. In esso avviene una sorta di “teletrasporto” a livello elettronico, il cosiddetto effetto tunnel appunto. Con la fantasia non si può non andare al teletrasporto, tanto citato nei romanzi e nei film di fantascienza, ma viene da chiedersi: un domani, sarà possibile attuare veramente il teletrasporto a livello macroscopico? C'è qualche nesso con la nanotecnologia?

ALESSANDRO
Personalmente sono molto interessato alla meccanica nei motori. Quali sono le applicazioni nanotecnologiche che possono migliorare le produzioni e le prestazioni in questo campo?

MATILDE
Credo e spero che in un immediato futuro la nanotecnologia potrà dare una mano a trovare e a diffondere l'uso delle fonti rinnovabili di energia. Attualmente ci sono delle applicazioni nanotecnologiche, in questo campo, in fase di studio? Quali sono?

FABIO
Personalmente sono interessato ai possibili aspetti negativi dell'uso delle nanoparticelle. Possono essere nocive o tossiche e dare dei problemi all'ambiente ed alle persone? Visto ciò che è accaduto per le materie plastiche, di cui attuamente esistono enormi isole che inquinano gli oceani, possiamo essere del tutto certi che lo sviluppo della nanotecnologia poterà più benefici che problemi?

GIANLUCA
E' vero che in un futuro non troppo lontano l'uomo potrà utilizzare delle “nanomacchine” o “nanorobot” all'interno del corpo umano? Se sì, quando sarà possibile?

MATTEO
Quali possono essere le applicazioni delle nanotecnologie nella nanoelettronica, soprattutto nel settore della telefonia?

DANIELE
Mi interesserebbe sapere se. sfruttando le sintesi nanotecnologiche, sarebbe possibile produrre materiali che non diano dilatazione termica all'aumentare della temperatura.

MARCO
Vorrei sapere quali potranno essere gli sviluppi futuri più significativi delle nanotecnologie in ambito medico.

SIMONE
Mi piacerbbe sapere se in futuro potranno esserci delle applicazioni della nanotecnologia nell'ambito delle costruzioni antisismiche. Nella nostra regione, il Friuli Venezia Giulia, ci sono delle aree ad alto rischio sismico, pertanto questo ambito di studio potrebbe essere molto importante.
Inoltre vorrei sapere se in futuro sarà possibile produrre veri e propri arti (protesi) artificiali, molto simili alla natura, da applicare alle persone che hanno subito amputazioni.

OMAR
In classe abbiamo parlato delle applicazioni della nanotecnologia in medicina e della possibile cura dei tumori. Oltre a questo, quali sono le più importanti applicazioni in nanomedicina?
Abbiamo visto anche che la nanotecnologia è in grado di cambiare le proprietà meccaniche dei materiali, quali potrebbero essere esempi in questo campo?
Infine vorrei sapere se, grazie alla nanotecnologia, in un futuro potremo pensare di sinettizzare combustibili liquidi alternativi agli idrocarburi, che magari possano fornirci energia senza dare problemi di inquinamento.


GIACOMO
Quali sono i costi delle nanotecnologie in campo medico? Per esempio, nella cura dei tumori?
In un futuro prossimo, si potranno usare dei nanofiltri per la depurazione delle acque?

GIOVANNI
Sono importanti i materiali tecnologici per costruire telescopi e per creare CCD che permettono di ottenere immagini sempre più nitide e precise, nonostante la distorsione causata dall'atmosfera?

GIANLUCA
Per le applicazioni delle nanotecnologie nei materiali, ad esempio in campo nanochirurgico, i nanorobot, o i “sommergibili” miniaturizzati, sono difficili da costruire? Quanto tempo ci vuole per costruirne uno?

EMANUELE
Qual è l'elemento più utilizzato, attualmente, in campo nanotecnologico?

MARKO
Si possono modificare i materiali utilizzando la nanotecnologia o ci sono alcuni che non presentano effetti dopo la modifica?

MARZIO
Quanto tempo è necessario per produrre su larga scala i telefoni flessibili? Con che materiali? E quanto costerebbero?

GABRIELE
Quando potrà essere distribuito un computer a livello microscopico con le prestazioni ancora migliori di quelle che esistono tutt'oggi?
Si riuscirà mai a costruire dei cellulari trasparenti e flessibili grazie alla nanotecnologia?

GABRIELE
Poco tempo fa mi è giunta voce che stanno mettendo in commercio una scheda SD da un terabyte, per produrre questa scheda si usano le nanotecnologie?

ALEX
Si potrebbero produrre dei filtri nanotecnologici in modo da desalinizzare l'acqua di mare a basse temperature?
Si potrebbe produrre un “guanto nanotecnologico” con un piccolo schermo LCD, impiegato sia come cellulare che come fotocamera per l'acquisizione delle immagini?

ALBERTO
In futuro i “nanomotori” per cosa potranno essere utilizzati?
Ho visto in un video su YouTube che si parlava di una nuova generazione di batterie che sfruttano le cariche elettriche capacitive che si creano fra due lastre di metallo o altre materiali conduttori, in grado di ricaricarsi in pochi secondi perchè non vengono coinvolte nel processo reazioni chimiche. Quando entreranno in commercio queste batterie di nuova generazione?

DIEGO
Eè possibile produrre dei nanochip da innestare nel corpo umano?

MATTIA
Le nanotecnologie hanno applicazioni in natura, in particolare per la protezione delle specie animali in via di estinzione?

DANIELE
Le nanotecnologie ci aiuteranno ad esplorare lo spazio e a popolare altri pianeti?
Esistono già dei modelli di tute spaziali innovative prodotte sfruttando le nanotecnologie?
Esistono già dei materiali isolanti termici in grado di isolare completamente un ambiente dall'esterno?