I ricercatori dell'Istituto IMEM-CNR hanno creato una nanostruttura composite basata su cristalli di ossido di zinco (ZnO) a forma di "tetrapod" e nanoparticelle di magnetite (Fe3O4) con proprietà superparamagnetiche, ovvero che grazie alle loro dimensioni estremamente ridotte (pochi nanometri) si comportano come un materiale ferromagnetico solamente quando sono sottoposte ad un campo magnetico esterno. Nel nanomateriale composito così ottenuto numerose proprietà di interesse risultano contemporaneamente presenti e combinate insieme in un'unica struttura multifunzionale.
Grazie ad un'apposita procedura di sintesi è stato possibile accoppiare questi due tipi di nanostrutture in forma stabile, mantenendo la maggior parte delle proprietà di ciascun materiale, senza particolari interferenze fra di esse.
Ciò significa che il nanocomposito di ZnO e Fe3O4 mantiene sia le proprietà superparamagnetiche che quelle inalterate dello ZnO, come l'intensa emissione UV, la sua superficie attiva, le proprietà semiconduttive o quelle piezoelettriche. Quindi può essere potenzialmente impiegato in diversi campi tecnologici, come sistemi per fotocatalisi, sensori di gas, applicazioni di water-splitting o per il campo biomedico (ad esempio drug delivery, terapia fotodinamica, etc.).
Fra queste, è stata presa in esame come caso di studio l'applicazione di fotocatalisi senza filtri per la degradazione di sostanze inquinanti. Da un lato è stato infatti osservato che il rate di degradazione di due diversi coloranti organici per mezzo del nanocomposito di ZnO e Fe3O4 è risultato essere notevolmente superiore a quello tipico dei soli tetrapods di ZnO. Dall'altro, le proprietà superparamagnetiche permettono una semplice raccolta "on-demand" dalle acque trattate per mezzo di un campo magnetico, senza la necessità di un ulteriore processo di filtraggio a valle. Il filtraggio è infatti un processo lento in questo tipo di applicazione perché da un lato vengono utilizzate nanostrutture molto piccole per massimizzare la disponibilità di superficie attiva, mentre dall'altro la loro piccola dimensione rende il loro filtraggio particolarmente difficile.
Sebbene questo tipo di applicazione sia solo un esempio delle potenzialità di questa nanostruttura composita multifunzionale, è stato realizzato anche un breve video per chiarire questi concetti che può essere visualizzato a questo indirizzo: https://www.youtube.com/watch?v=kcY1564woLo
Altri tipi di applicazione possono comunque sfruttare le multiple proprietà funzionali di questi due materiali. Ad esempio, in prospettiva, la combinazione di proprietà magnetiche e piezoelettriche in un singolo materiale apre la strada alla realizzazione di sistemi innovtivi con proprietà di trasduzione piezo-magnetica.
M. Villani, T. Rimoldi, D. Calestani, L. Lazzarini, V. Chiesi, F. Casoli, F. Albertini and A. Zappettini, "Composite multifunctional nanostructures based on ZnO tetrapods and superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles", Nanotechnology 24 (2013) 135601 (doi:10.1088/0957-4484/24/13/135601).
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