Big idea “Alla nanoscala le caratteristiche e le proprietà dei materiali cambiano con la dimensione e la forma delle particelle. Tale cambiamento può portare a nuove funzionalità, aprendo settori applicativi completamente nuovi.”
Provate ad immaginare un mondo in cui il colore di una palla è determinato dalla sua dimensione anziché dal materiale di cui è costituita. Inizialmente sgonfia vi apparirebbe rossa. Ma pompandogli dentro aria, diventando sempre più grande e sferica, il suo colore cambierebbe da rosso a giallo, verde, ed infine blu! Sembra davvero poco plausibile, ma è ciò che può accadere alla nanoscala. Per alcuni tipi di nanoparticelle il colore dipende dalla dimensione, dalla forma, e dalla sostanza in cui sono immerse.
Prendendo spunto dallo spettacolare effetto di mutamento del colore delle nanoparticelle di oro, viene approfondito il tema della interazione luce-materia.
La sintesi dell’ oro colloidale è accompagnata da due attività legate alle applicazioni delle nanoparticelle in nanomedicina e da una introduzione all’analisi spettrofotometrica.
I laboratori
1 – Sintesi di nanoparticelle d’oro
La sintesi di nanoparticelle d’oro evidenzia il drammatico mutamento di colore del materiale alla nanoscala: da giallo paglierino ad un bel rosso rubino. Si tratta della riproduzione in laboratorio del metodo proposto da Turkevich nel 1951. Tramite diffusione di un fascio laser (effetto Tyndall) viene eseguito un primo test sulle dimensioni delle particelle evidenziando la natura colloidale della soluzione ottenuta. Sono proposte alcune varianti nella procedura di sintesi.
Caratteristiche |
2 – Nanoparticelle d’oro come sensore colorimetrico
Le modificazioni nel livello di aggregazione e conseguentemente nelle dimensioni delle nanoparticelle influenzano il modo in cui la luce interagisce con esse. Le frequenze assorbite e diffuse cambiano, causando un mutamento nel colore percepito. Tale principio è sfruttato nell’uso delle nanoparticelle d’oro come sensori colorimetrici. L’attività propone di testare alcuni campioni, individuandone natura e caratteristiche tramite il viraggio del colore.
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3 – Simulazione di nanoparticelle metalliche disperse in soluzione
Le simulazioni al calcolatore permettono di interpretare i dati sperimentali alla luce dei modelli teorici, indirizzare gli esperimenti, con risparmio di tempo e risorse, e perfino prevedere nuovi fenomeni in condizioni sperimentali mai provate prima. In questo laboratorio, si utilizza un software per simulare nanoparticelle metalliche immerse in una soluzione al variare del tipo di metallo, delle dimensioni delle nanoparticelle, dell’indice di rifrazione del solvente e dello spettro della sorgente luminosa, sia riproducendo gli esperimenti fatti, sia simulando condizioni difficilmente realizzabili in un laboratorio scolastico, ma di grande importanza tecnologica.
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4 – Nanoparticelle e spettri
L’esperimento precedente e’ approfondito tramite l’analisi quantitativa degli spettri ottenuti dai vari campioni di nano-oro in soluzione. Grazie ad uno spettrofotometro low cost costruito in laboratorio, vengono introdotti in modo trasparente i principi fisici della spettroscopia di assorbimento.
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5 – Diffusione di nanoparticelle
Tra le applicazioni delle nanoparticelle d’oro maggiormente studiate c’è il loro possibile utilizzo per il trasporto e rilascio mirato di farmaci nella terapia anticancro. A questo scopo elaborare un modello di diffusione delle nanoparticelle nei tessuti umani risulta fondamentale.
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