Da quindici anni le nanotecnologie e, in particolare, le nanoparticelle, vengono proposte come la scelta ottimale per moltissime applicazioni nel campo dei materiali. Sembra proprio che permettano di fare qualsiasi cosa! Ma è davvero così? In realtà, dopo i primi grandi entusiasmi, l’uso delle nanotecnologie nei polimeri ha subito un rallentamento, perché si è capito che rendere le nanoparticelle compatibili con le matrici polimeriche è tutt’altro che semplice. Le aziende, però, giustamente credono nelle potenzialità di questo settore e continuano a chiedere formulazioni specifiche per le loro esigenze applicative: soprattutto l’aumento delle proprietà meccaniche, chimico-fisiche ed elettriche dei materiali. Pertanto, hanno sempre più bisogno di supporto scientifico e tecnologico nel campo dei nanoadditivi. Da queste considerazioni, all’interno del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano Bicocca, è nata la start-up Graftonica con l’obiettivo di tradurre in realtà la ricerca sui compatibilizzanti, vale a dire sulle sostanza capaci di rendere le nanoparticelle compatibili con le matrici polimeriche.
Nanoparticelle: criticità e soluzioni
«Una delle principali criticità nell’uso di nanoparticelle inorganiche (ossido di silicio e di titanio, argille…) come additivi durante il processo produttivo (estrusione, stampaggio, creazione del pellet…) è la loro tendenza ad aggregarsi formando “grumi”, simili a quelli che si generano durante la preparazione dei cibi», racconta Alberto Bianchi, fondatore di Graftonica insieme a Roberto Simonutti e Michele Mauri. «Il risultato: nel prodotto finito le particelle aggiunte come additivo non sono più in forma nanometrica e perdono le proprietà per cui erano state sviluppate. Questi agglomerati possono comportare, per esempio, dei punti opachi o colorati nei materiali che dovrebbero essere trasparenti, dei punti deboli che lasciano uscire sostanze o entrare contaminanti nei materiali di packaging per la conservazione dei cibi, delle interferenze o dei punti di accumulazione della carica che possono portare a surriscaldamento locale nei materiali utilizzati nei dispositivi elettronici, dei punti di frattura nei materiali con proprietà meccaniche per il settore automobilistico e aerospaziale».
“Penso che l’unico modo per fare funzionare bene un Paese sia quello di creare innovazione”Alberto Bianchi
Graftonica sviluppa processi chimici che consistono nel far crescere uno strato del polimero desiderato sulle particelle, così da coniugare le proprietà funzionali delle nanoparticelle con quelle strutturali della plastica: in questo modo ogni singola particella ha una “capsula”, del medesimo polimero in cui è inserita o di polimero molto affine, che le impedisce di aggregarsi con altre e che ne favorisce l’ottimale distribuzione nella matrice polimerica. Quest’ultima, pertanto, non “vede” più la superficie del nanomateriale inorganico, ma soltanto il polimero. Con questi additivi, i polimeri acquistano proprietà (meccaniche, elettriche, magnetiche) tipiche di altre classi di materiali, diventando competitivi anche in applicazioni attualmente riservate a ceramiche o metalli, con un’alta sostenibilità ambientale.
«Molte aziende del settore gomma e plastica» afferma Alberto Bianchi «stanno cercando non solo di mantenere le posizioni nei settori tradizionali affrontando una concorrenza globale, ma anche di aprirsi a nuovi mercati, in un contesto economico dove è l’innovazione a permettere il salto di qualità. Il modello industriale di Graftonica punta su standard qualitativi elevati e soprattutto leadership a livello di innovazione: coniugando le proprietà funzionali delle nanoparticelle a quelle strutturali della plastica, creiamo un nuovo materiale fatto su misura e sviluppiamo un prodotto adatto alle esigenze di ogni singolo cliente, rispondendo in questo modo soprattutto a quelle di piccole o medie imprese».
Il metodo di compatibilizzazione
Il team di ricercatori ha sviluppato un nuovo metodo per compatibilizzare e disperdere nei polimeri cariche nanometriche inorganiche. La tecnica si ispira alle più recenti visioni che permettono di costruire architetture polimeriche con il principio “lab on a particle”: si parte dal nanocristallo e si funzionalizza la superficie in modo da coniugare le proprietà funzionali delle nanoparticelle con quelle strutturali della plastica. «La tecnica di compatibilizzazione può essere applicata anche su molti prodotti commerciali, oltre che su nanoparticelle prodotte appositamente, ma anche su superfici polimeriche e metalliche», spiega Alberto Bianchi.
Prodotti e applicazioni
Graftonica realizza masterbatch di nanocompositi, sintesi di polimeri, copolimeri e molecole organiche, modifiche superficiali su metalli, vernici con nanoparticelle. «Gli additivi che sviluppiamo migliorano le prestazioni dei polimeri, rendendoli competitivi anche in settori oggi riservati ad altre classi di materiali e permettendo applicazioni innovative» sottolinea Bianchi «che vanno dai materiali per elettronica a elevata costante dielettrica a quelli barriera a gas e acqua, anche per usi alimentari. Vi sono poi i materiali ottici e fotonici con l’aumento dell’indice di rifrazione, le applicazioni che regolano la diffusione della luce in materiali trasparenti pensati per l’illuminazione, ma anche gli additivi per il restauro conservativo dei beni culturali, fino ai prodotti medicali: protesi, fantocci e manichini».
Sintesi di polimeri e copolimeri
L’azienda sintetizza polimeri e copolimeri su richiesta e, grazie alla collaborazione con gruppi di ricerca del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università Milano-Bicocca, produce molecole organiche su richiesta. «L’esperienza che abbiamo maturato ci permette di creare polimeri speciali che siano statistici, a blocchi, stellati e a pettine. Inoltre, abbiamo una vasta esperienza nell’auto assemblaggio (self assembly) in soluzioni acquose e organiche», fa notare Bianchi.
Superfici intelligenti
Con il medesimo approccio usato sulle nanoparticelle, Graftonica modifica superfici di materiali, come metalli e vetri, cambiandone le proprietà. «In questo modo otteniamo superfici intelligenti capaci di modulare a piacimento la loro applicazione», dice Bianchi.
Dispositivi medicali
Data l’importanza dell’utilizzo di polimeri nel campo dei dispositivi medicali, l’azienda ricerca e produce materiali speciali per protesi e manichini. In particolare, sono stati già sviluppati phantom per la radiologia interventistica: materiali che mimano la risposta di strutture anatomiche sottoposte a varie tecniche diagnostiche strumentali.
Dai dipinti alle lampade
Attualmente la start-up sta lavorando su un materiale per il restauro conservativo già brevettato dall’Università e di cui ha rilevato la licenza: un “vestito anti UV” per dipinti, a base di vernice trasparente, in cui le nanoparticelle non modificano colore, luminosità e aspetto dell’opera sottostante (per esempio senza sgraditi “effetti specchio”), ma fermano i raggi dannosi, una delle principali cause di deterioramento del manto pittorico. Inoltre, sta sviluppando particelle per la sicurezza alimentare, in grado di migliorare la tenuta degli imballaggi, riducendo di conseguenza gli sprechi, l’uso del ciclo del freddo e di conservanti negli alimenti. E ancora, nel campo dell’illuminotecnica e del design, la start-up ha realizzato soluzioni innovative con la dispersione di nanoparticelle nei polimeri (metilmetacrilato, policarbonato, PET) come lastre o blocchi trasparenti con all’interno un materiale che assorbe raggi di luce fredda, come quelli di un led, e li trasforma in un’illuminazione calda e diffusa, oppure pellicole che ottimizzano l’assorbimento e l’efficienza di celle fotovoltaiche.
