|
|
Sono allo studio le caratteristiche e le potenzialità espresse dai nanomateriali, organici e inorganici che siano, destinati a svariate applicazioni, imballaggio incluso. Lo sviluppo procede speditamente, grazie all'integrazione fra diverse discipline scientifiche, offrendo strumenti di miglioramento (non solo teorico) all'industria. Luciano Piergiovanni
Alcune parole, o brevi espressioni, entrano a volte nel linguaggio comune provenendo dal mondo scientifico più avanzato, con una capacità fascinatrice potentissima, che deriva loro da un certo alone misterioso - quasi magico - che le circonda e da un’aspettativa enorme, anche se confusa, che le accompagna.
È successo, per esempio, sul finire del XX secolo per le cosiddette biotecnologie, protagoniste di successo in molti campi: prima ancora di essere comprese pienamente, il numero delle iscrizioni ai corsi universitari che le insegnavano è salito vertiginosamente, al pari dei finanziamenti concessi ai non molti ricercatori che le studiavano.
Gli stessi fenomeni stanno segnando, all’inizio del XXI secolo, le “nanotecnologie”. Va comunque precisato che il termine nanotecnologia venne coniato quasi 30 anni fa da Eric Drexler, che nel 1976 la descriveva come "…una tecnologia molecolare che ci permetterà di porre ogni atomo dove vogliamo che esso stia…".
Misura universale - Il prefisso “nano”, in effetti, è da sempre utilizzato nel sistema internazionale di misura (SI) per quantificare la miliardesima parte di una qualsiasi grandezza fisica: così il nanogrammo (ng) è la miliardesima parte del grammo, il nanovolt (nV) una debolissima corrente, mentre il nanometro (nm) è la miliardesima parte del metro o, per le note equivalenze, la milionesima parte del millimetro. Siamo a dimensioni estremamente piccole, come è ormai chiaro, mille volte più piccole del più piccolo microrganismo, 800 - 400 volte più piccole della lunghezza d’onda della luce visibile, la distanza tra due massimi di un un’onda di luce. Siamo cioè alle dimensioni delle molecole, una scala di dimensioni che vede confondersi le applicazioni della chimica con quelle della fisica o dell'ingegneria genetica.
Piccolo in progres - La miniaturizzazione è sempre stato un aspetto fondamentale del progresso tecnologico perché, attraverso la riduzione delle dimensioni, si ottengono risparmio di materiale, maggiori funzionalità, possibilità di movimento.
Tuttavia, fino ad oggi, la miniaturizzazione è stata fatta fondamentalmente rimuovendo l’eccesso di materiale, mentre le nanotecnologie seguono un approccio opposto; simulando quanto fa la natura, l’obiettivo è quello di “costruire dal basso”, disponendo atomi e molecole in modo funzionale.
Ad esempio, “lavorando” con atomi di carbonio si possono oggi produrre molecole di “fullurene” che sono ciascuna l’assemblaggio di 60 atomi di carbonio, che hanno la forma di un pallone da calcio con un diametro da 1 nanometro e che possiedono particolarissime capacità reattive (si legano a virus e a enzimi, promuovono specifiche ossidazioni…) e originali proprietà fisiche (sono opache ai laser, possono essere superconduttrici).
Sempre combinando atomi di carbonio si formano “nanotubi” e “nanoingranaggi” che sembrano rendere possibile la costruzione di “nanodispositivi”.
L’intelligenza dei chimici ha giocato un ruolo importante in questo progresso, ma determinante è stato lo sviluppo di tecniche di microscopia, impensabili fino a pochi decenni fa.
Il microscopio elettronico a scansione a effetto tunnel (Scannino Tunneling Microspcope, STM) è stato realizzato nei laboratori della IBM nel 1982 e permette osservazioni a livello di singoli atomi e, nelle sue successive evoluzioni, persino di spostare singoli atomi.
Le nanotecnologie apriranno certamente, nei prossimi decenni, una vera e propria rivoluzione tecnologica che interesserà moltissimi campi, dall’elettronica alla medicina, dagli armamenti all’ottica.
Nanomateriali in pratica - Già oggi, comunque, una realtà legata a questi progressi della conoscenza, è rappresentata dai nanomateriali, sia organici che inorganici, ed è in questa area, già concretamente sul mercato principalmente per il settore dell’elettronica, che troviamo applicazioni di packaging o potenzialmente utili al packaging.
In particolare grande interesse suscitano i nanocompositi o materiali nanostrutturati che sono, in pratica, materiali più o meno convenzionali, profondamente modificati per inclusione di nanoparticelle che conferiscono proprietà innovative.
Oltre al meccanismo di incorporazione, in svariate forme, di materiali diversi all’interno di una struttura polimerica o ceramica, di fatto, è possibile considerare nanomateriali anche quelle superfici modificate per trattamenti fisici di ultima generazione (trattamenti al plasma freddo) che, agendo a livello molecolare, possono introdurre nuove specie chimiche solo a livello superficiale, incorporando nuove e utili funzioni sui materiali più tradizionali.
All’orizzonte ci sono quindi:
- barriere ai gas e ai vapori ottenibili in sottilissimi materiali flessibili e paragonabili a quelle ottenute con l'impiego di vetro e alluminio;
- innovazioni che consentiranno di eliminare additivi, le cui funzioni saranno svolte da molecole legate;
- materiali leggeri con caratteristiche di resistenza meccanica superiore che apriranno nuove applicazioni;
- proprietà termiche assolutamente innovative che renderanno possibili utilizzi mai immaginati;
- proprietà elettriche ed elettromagnetiche originali;
- materiali con funzioni intelligenti di memorizzazione, di segnalazione, di diagnostica, di rilascio controllato e …. chissà quant’altro ancora.
|
|
Working with molecules
The characteristics and potential of nanomaterials - organic and non-organic - are currently the subject of much study, being destined for various applications, including packaging. Great progress is being made, thanks to integration between the various scientific disciplines, offering various tools for improvement (and not just theoretical ones).
Luciano Piergiovanni
A few words, or brief expressions, from the world of advanced science sometimes manage to enter everyday language, having a truly powerful ability to attract people's attention due to that certain mysterious halo - almost a magical one - that surrounds them and to the enormous, albeit somewhat confused expectations that accompany them.
For instance, this was the case at the end of the 20th Century with the so-called biotechnologies, a great success in many fields: before these were fully understood, the number of student registrations for the relevant university courses rose dizzily, as did the funding for the small number of researchers in this field.
The same phenomena are now being seen, at the beginning of the 21st Century with “nanotechnologies”. It should be pointed out, however, that the term nanotechnology was coined almost 30 years ago by Eric Drexler, who described it in 1976 as "…a molecular technology that lets us place every atom where we want it to be…".
A universal measure - Indeed, the prefix “nano” has always been used in the universal system of units of measurement (SI) to quantify the billionth part of any physical measure: hence the nanogram (ng) is a billionth part of a gram, a nanovolt (nV) a tiny current, while the nanometre (nm) is the billionth part of a metre or, put another way, the millionth of a millimetre. These are, of course, extremely small dimensions, a thousand times smaller than the smallest micro-organism, 800 - 400 times smaller than the wavelength of visible light, the distance between two peaks in a wave of light.
The dimensions of a molecule, therefore. A scale of dimensions where the application of chemistry merges with that of physics and genetic engineering.
Small in progress - Miniaturisation has always been an essential aspect of technological progress: by reducing the dimensions of an object one can save on materials, get better functionality and mobility.
However, until now, miniaturisation has basically been achieved by removing excess material, whereas nanotechnologies adopt the opposite approach: by copying what Nature does, the goal is to “build from the bottom up”, arranging atoms and molecules in a truly functional manner.
For example, by “working” with carbon atoms it's possible to produce “fullurene” molecules, each an assembly of 60 carbon atoms with the shape of a football and a diameter of 1 nanometre. These have an extraordinary capacity for reaction (they "fix" viruses and enzymes, promote specific oxidation…) and original physical properties (opaque for lasers, can be superconductors).
Again, "nanotubes" and "nanogears" can be created by combining carbon atoms, leading one to believe that it's possible to create “nanodevices”.
The chemist's intelligence has played an important role in this progress, but so too have certain microscope techniques that were completely inconceivable until just a few decades ago.
The scanning tunnelling microspcope (STM), developed by the IBM laboratories in 1982, lets one observe the single atoms and, in its more evolved versions, even shift individual atoms.
Nanotechnologies will certainly open up new horizons in the next few decades, marking a true technological revolution affecting many fields, from electronics to medicine, the arms industry to optics.
Nanomaterials in practice - Already today, nanomaterials (organic and otherwise) is a reality linked to this progress in knowledge and examples are already seen on the market, mainly in electronics, with applications in packaging or potentially useful applications for packaging.
Great interest is being shown in nanocompounds or nanostructured materials: more or less conventional materials that have been radically modified by the inclusion of nanoparticles offering innovative properties.
As well as the mechanism of the incorporation - in various forms - of different materials inside a polymer or ceramic structure, surfaces modified by last generation physical treatments (cold plasma) can also be considered nanomaterials. This type of treatment, acting on a molecule level, makes it possible to introduce new chemical species on a superficial level only, incorporating new, useful functions in more conventional materials.
On the horizon are:
- gas and vapour barriers obtained in ultra-thin flexible materials, similar to those obtained with the use of glass and aluminium;
- innovations allowing for the elimination of additives, whose functions are carried out by bound molecules;
- lightweight materials with superior mechanical properties allowing for new applications;
- absolutely innovative thermal properties for unheard of applications;
- original electrical and electromagnetic properties;
- materials with intelligent functions for saving, signalling, diagnostics, controlled release and… goodness only knows what else.
|
|
In breve - I nanocompositi sono una nuova generazione di polimeri caricati con una bassa percentuale di argille speciali, caratterizzate dal relativo microspessore, cioè meno di un micron. Le prestazioni, per esempio del PP o di altri tecnopolimeri, risultano molto superiori rispetto ai compound degli stessi materiali additivati con talco o fibra di vetro. Con una percentuale minima, inferiore al 2%, di nanocompositi si migliorano, o quantomeno eguagliano, le proprietà dello stesso polimero caricato al 40% con fibre minerali; i livelli delle prestazioni meccaniche e termiche sono più elevati, lo stesso vale per l’effetto barriera, senza rinunciare a trasparenza o incorrere in aumenti di peso. Le relative potenzialità di impiego sono piuttosto incoraggianti, soprattutto nell’industria automobilistica e, più in particolare, per gli elementi strutturali di grandi dimensioni. Anche per i film ci sono possibilità che la domanda di nanocompositi cresca, visti gli ottimi risultati in termini di barriera all’umidità, che difficilmente riesce ad attraversare il rivestimento trasparente delle microparticelle di argilla.
|
|
In brief - Nanocompounds are a new generation of polymers charged with a low percentage of special clay, with a microthickness of less than a micron. Performance, for example of PP and other technopolymers, is a lot higher compared to the compounds of the same materials additivised with talcum of glass fibreglass. With a minimum percentage, lower than 2%, of nanocompounds the property of the same polymers charged 40% with mineral fibres are improved upon or at least equalled; mechanical and thermal performance levels are higher, the same going for the barrier effect, without impinging on transparency or leading to increase in weight. Its potential for use is indeed encouraging, aboveall in the automobile industry and, more in particular for the largescale structural elements. For films too the demand for nanocompounds is liable to grow, given their excellent results in terms of humidity barriers, the transparent clay micro particle coating successfully preventing penetration. |
|
|
|
|
|
Approfondimenti
Sviluppi tecnologici nel campo dei nanocompositi e future applicazioni nel packaging: è il tema del prossimo “Impact Forum” organizzato dalla Pira International nel Surrey (UK) il 20 novembre 2003.
L’autorevole istituto di ricerche britannico sottolinea come questa categoria di materiali possa offrire risposte innovative alle crescenti esigenze di protezione e proprietà barriera dell’imballaggio, creando nuove opportunità per il confezionamento ad alto valore aggiunto di alimenti e bevande, così come di farmaci o di prodotti elettronici. Animato da esperti qualificati, il convegno prevede relazioni su numerosi argomenti.
Further analysis
Technological development in the field of nanocompounds and future applications in packaging: this is the subject of the coming “Impact Forum” organized by Pira International in Surrey (UK) November 20th 2003. The authoritive UK research institute underlines how this category of material can offer innovatory answers to the growing needs for protection and barrier properties of packaging, creating new opportunities for high added value packaging of foods and beverages, the same going for pharmaceuticals and electronics products. Animated by qualified experts, the convention will include talks on the following topics:
Technology summary - nanotechnology in packaging applications
- What is nanotechnology?
- Why is it important?
- What are its applications for packaging?
- What does it mean for your business
New and emerging applications for nanotechnology in packaging
- A summary of the key markets with specific focus on:
- Soft drinks, fruit juices and beers
- Meats and cheeses
- Pet food
- Pharmaceutical products
Key considerations for implementing nanotechnologies on a mass manufacturing scale
- Equipment, material and set up considerations
- Educating and informing your staff
- Supplier considerations: getting buy in from your suppliers
- Customer considerations: passing on the knowledge
Cost modelling for nanotechnology
- Cost vs benefits analysis for nanotechnology
- Assessing the full implementation costs
- Customer consideration: adding value vs increasing price
A brand owners perspective - the role of nanotechnology in FMCG packaging
- Current perceptions of the technology
- Assessing brand owners needs and how these can be met through nanotechnology
- Current and future applications
- Cost vs benefit analysis for brand owners.
- Future hopes and expectations for nanotechnology
Nanotechnology in barrier applications
- Gas, moisture and flavour barrier provision
- Current use of nylon 6 and nanocomposites
- Current capabilities and limitations
- New and emerging barriers through applications of nanotechnology
Nanotechnology in ink applications
- Using nanotechnology in inks
- Current and future potential
- Implications for printable electronics
- Implications for packaging applications
Futuristic and blue sky innovations - where next for nanotechnology?
- Technology limitations, what does nanotech still need to achieve?
- Driving towards sub-nano development
- Blue sky packaging applications
- Using nano to improve pack functionality and intelligence in new and ingenious ways
The future of nanotechnology in the packaging industry
- Conclusions of the days assessments:
- Costs
- Market potential
- Key new applications
- Future possibilities
|
|
|
|
|
|
