La funzionalizzazione delle superfici rappresenta un passaggio cruciale per l’impiego di materiali in applicazioni biologiche. Per esempio, per realizzare un vettore di farmaci specifico, è fondamentale apportare modifiche alla superficie del vettore mediante l’aggiunta di molecole recettrici mirate alle cellule.

Processo di funzionalizzazione

– La funzionalizzazione delle superfici comporta l’aggiunta di nuove capacità e proprietà a un materiale attraverso la modifica della sua chimica superficiale. Tale processo è essenziale in diversi ambiti, dalla chimica alla scienza dei materiali, fino all’ingegneria biologica e alla nanotecnologia.

– Attraverso questa tecnica, le superfici possono essere modificate per migliorare la reattività verso specifiche specie chimiche e, di conseguenza, per ottenere prestazioni superiori in applicazioni quali catalisi e celle fotovoltaiche. Inoltre, la funzionalizzazione permette di conferire proprietà luminescenti a nanostrutture a base di carbonio.

Materiali e applicazioni

In una vasta gamma di materiali, le procedure di modificazione superficiale possono cambiare le caratteristiche meccaniche, fisico-chimiche ed estetiche. Questa versatilità trova applicazione in vari settori, tra cui medicina, elettronica e trasporti.

Un’ulteriore applicazione è la creazione di materiali con maggiore biocompatibilità e resistenza alla corrosione. Le tecniche per ottenere la funzionalizzazione variano da metodologie chimiche a fisiche, e possono includere l’uso di calore o pressioni, nonché reazioni chimiche come ossidazione o riduzione.

La modifica delle superfici può anche avvenire attraverso l’impiego di agenti biologici, come enzimi o cellule, permettendo l’applicazione di questa tecnologia in ambiti innovativi come la coltura cellulare.

Funzionalizzazione dei materiali intelligenti

I materiali intelligenti hanno la capacità di modificarsi in risposta a cambiamenti ambientali, potenziando drasticamente le applicazioni nei campi delle scienze dei materiali e della biomedicina. Tali materiali possono variare da nanoparticelle a base di polimeri a metalli e ossidi, sfruttando le loro proprietà per adattarsi a diversi stimoli ambientali.

Il potenziale dei nanomateriali deriva dalla possibilità di modificarne le superfici, migliorandone così le caratteristiche iniziali o progettandone di nuove. La personalizzazione delle nanoparticelle attraverso la funzionalizzazione consente loro di rispondere a specifiche esigenze applicative, assicurando al contempo compatibilità e resistenza nel lungo termine.

Infine, i nanotubi di carbonio, grazie alla loro eccellente area superficiale e proprietà meccaniche, rappresentano un esempio di funzionalizzazione che facilita l’impiego in svariati settori, dall’imaging biomedico alla decontaminazione delle acque. La capacità di questi materiali di interagire efficacemente con altre molecole li rende ideali per il design e la produzione di nuovi nanocatalizzatori e biosensori.

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Il seleniuro di cadmio (CdS) è un importante semiconduttore che rientra nella categoria dei semiconduttori II-VI, costituiti da metalli del gruppo II B o 12 e non metalli appartenenti al gruppo 16, noto come gruppo dei calcogeni. Questi materiali sono per lo più formati da elementi come cadmio, zinco e mercurio per i metalli, e zolfo, selenio e tellurio per i non metalli.

Caratteristiche strutturali del seleniuro di cadmio

Il seleniuro di cadmio è un calcogenuro binario che presenta sia legami di tipo ionico sia covalente. Le sue strutture cristalline principali includono la wurtzite di tipo esagonale, la sfalerite (o blenda di zinco) e la salgemma cubica, con la wurtzite che è quella maggiormente utilizzata. Riscaldando la sfalerite, essa si trasforma in wurtzite, dato che la prima è instabile, in un intervallo di temperatura compreso tra 130 e 700 °C. La forma cristallina cubica è osservabile solo sotto elevate pressioni.

In natura, il seleniuro di cadmio è presente nel raro minerale cadmoselite, scoperto per la prima volta nel 1957 in Tuva, una repubblica della Federazione Russa situata nella parte centro-meridionale della Siberia, al confine con la Mongolia.

Proprietà fisiche e ottiche

Questo composto si presenta in tonalità che variano dal nero al rosso-nero e possiede un’alta sensibilità alla luce nella gamma visibile, mostrando anche un elevato grado di luminescenza. La sua naturale fotosensibilità lo rende adatto all’uso in dispositivi optoelettronici, come i transistor a film sottili, i fotoconduttori e i rivelatori di raggi gamma.

A temperatura ambiente, il seleniuro di cadmio presenta un band gap diretto di 1.74 eV e un band gap indiretto compreso tra 1.23 e 1.25 eV, rendendolo altamente efficace nell’effetto fotoelettrico. Non è solubile in acqua e possiede una densità di 5.81 g/cm³, una temperatura di fusione superiore a 1350 °C, una resistività elettrica che varia fra 105 e 106 Ω-cm, mobilità degli elettroni tra 450 e 900 cm²/V·s e un indice di rifrazione di 2.87 a 900 nm.

La dimensione delle nanoparticelle di seleniuro di cadmio influisce sulle loro proprietà, consentendo loro di esibire comportamenti unici dovuti all’effetto di confinamento quantistico, il quale altera le caratteristiche luminose in base alla dimensione delle particelle.

Metodi di sintesi delle nanoparticelle

Nel 1879, il chimico francese MJ Margottet scoprì il modo di preparare il seleniuro di cadmio, riscaldando cadmio elementare in presenza di seleniuro di idrogeno (H2Se) e sublimando il composto in un’atmosfera di idrogeno. Oggi, i punti quantici di seleniuro di cadmio, le nanostrutture semiconduttrici, vengono sintetizzati prevalentemente attraverso due approcci: “top-down” e “bottom-up”. Nel metodo top-down, il materiale viene ridotto in dimensioni attraverso vari metodi meccanici, chimici e fisici, mentre nell’approccio bottom-up, i precursori molecolari vengono assemblati per formare le nanoparticelle tramite processi di precipitazione e di fase vapore.

Ulteriori tecniche di sintesi prevedono l’uso di metalli di partenza come cloruro di cadmio e ossido di selenio in combinazione con agenti riducenti. Le procedure biogeniche per la sintesi mostrano una crescente attenzione per il loro impatto ambientale, utilizzando organismi come funghi e batteri. In un esperimento, il Saccharomyces cerevisiae ha fornito un metodo per ottenere punti quantici utilizzando selenito di sodio e cloruro di cadmio come precursori.

Applicazioni pratiche

I punti quantici di seleniuro di cadmio sono ampiamente utilizzati nel settore biomedico per la diagnosi di malattie, imaging intracellulare e nel tracciamento di singole proteine, nonché nella somministrazione di farmaci. Inoltre, il seleniuro di cadmio funge da catalizzatore ed è impiegato in diodi a emissione di luce, celle solari e fotoresistori. Grazie alla sua trasparenza alle radiazioni infrarosse, può essere usato nella produzione di finestre atmosferiche a infrarossi, riducendo l’assorbimento di radiazioni termiche da parte dell’atmosfera terrestre.

Le nanoparticelle di seleniuro di cadmio trovano applicazione anche nei sensori chimici per il monitoraggio della qualità dell’aria e nella rilevazione di gas inquinanti. Nel campo dei dispositivi fotonici, i punti quantici CdSe sono impiegati come emettitori nei display a colori e per amplificare segnali ottici in fibra ottica, permettendo di evitare la conversione in segnali elettrici. Inoltre, vengono utilizzati in sensori ottici di temperatura, monitorando le variazioni di temperatura tanto nell’aria quanto in liquidi e solidi, oltre ad essere parte di filtri per l’elaborazione veloce dei segnali.

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I semiconduttori estrinseci, conosciuti anche come semiconduttori dopati, sono materiali semiconduttori che vengono opportunamente trattati con impurità per migliorare la loro conduttività elettrica. Questa necessità di creare semiconduttori estrinseci deriva dal fatto che, nella maggior parte dei semiconduttori intrinseci a temperatura ambiente, il numero di portatori di carica eccitati termicamente risulta molto limitato.

Comportamento dei semiconduttori

La concentrazione di portatori di carica in semiconduttori intrinseci può essere di ordini di grandezza inferiori rispetto a quella riscontrata in conduttori metallici. Ad esempio, nel silicio a 298 K si osserva una densità di elettroni eccitati termicamente pari a 1.5 · 10¹⁰ cm^-3, mentre un metallo tipico può presentarne circa 10²⁸ elettroni cm^-3.

Quando i semiconduttori, come il silicio, sono estremamente puri, possiedono un’elevata resistività elettrica, a fronte di una bassa conduttività. Per affrontare questo problema, è utile drogare un semiconduttore con impurità, rendendolo quindi estrinseco. Sorprendentemente, anche piccole percentuali di impurità, come lo 0.0001%, possono alterare notevolmente la conduttività di un semiconduttore. Si distinguono così i semiconduttori estrinseci di tipo n, che hanno elettroni liberi, e di tipo p, nei quali predominano lacune di elettroni.

Le origini dei semiconduttori estrinseci

I semiconduttori estrinseci devono gran parte della loro comprensione e sviluppo agli studi condotti nel 1947 da John Bardeen, Walter H. Brattain e William B. Shockley, i quali sono stati insigniti del Premio Nobel per la fisica nel 1956 per il loro lavoro su questi materiali.

Un semiconduttore di tipo n viene creato drogando un materiale semiconduttore puro, come silicio o germanio, con un elemento donatore di elettroni appartenente al gruppo 15, come il fosforo o l’arsenico. Tali elementi contengono cinque elettroni di valenza e, quando si integrano nella rete cristallina, formano quattro legami covalenti con il silicio o il germanio, lasciando un elettrone libero.

Questo elettrone diventa mobile e quindi i semiconduttori di tipo n, caratterizzati da una maggiore disponibilità di elettroni liberi rispetto alle lacune, presentano un band gap posizionato appena sotto la banda di conduzione. Essendo gli elettroni i portatori di carica, questo materiale viene definito semiconduttore di tipo negativo.

Al contrario, i semiconduttori di tipo p si ottengono drogando un semiconduttore intrinseco con impurità del gruppo 13, come il boro, che presenta tre elettroni di valenza. In questo caso, il doping crea delle lacune poiché manca un elettrone, che viene rapidamente sostituito da elettroni circostanti, portando alla formazione di portatori di carica positivi. Questo fenomeno genera un eccesso di lacune, mentre il livello Fermi si sposta verso il basso, dimostrando la predominanza della conduttività positiva in questi materiali.

Esistono vari metodi utilizzati per il doping dei semiconduttori intrinseci. Tra questi, l’impiantazione ionica, la diffusione e la crescita epitassiale, ciascuno con vantaggi e limitazioni proprie. L’impiantazione ionica utilizza ioni ad alta energia per creare un profondità controllata di doping, mentre la diffusione prevede il riscaldamento del semiconduttore in presenza di atomi dopanti. Infine, la crescita epitassiale consente di depositare film sottili di materiale dopato su substrati, garantendo un elevato controllo sulla distribuzione del dopante.

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