Riassunto / Abstract

Il percorso proposto mira ad introdurre le metodologie per la sintesi chimica di nanoparticelle di argento e mostrare le loro proprietà ottiche in termini di diffusione della luce

Scheda sintetica delle attività

1. Sintesi di nanoparticelle di argento metallico (NPs) con nitrato di argento, idrossido di sodio, glucosio e gelatina;
2. visualizzazione con fascio laser della diffusione della luce da nanoparticelle.

Risorse necessarie

• Becher graduati;
• bilancia;
• bacchette in plastica;
• pipetta da 10 e da 5 ml;
• base d’appoggio;
• vetrini portaoggetto;
• calibro di vetro;
• spatole;
• guanti;
• \(AgNO_3\);  
• \(NaOH\);
• glucosio (\(C_6H_{12}O_6\));
• acqua distillata;
• gelatina (per capelli o ottenuta con agar);
• fonte laser (anche penna laser va bene).

Prerequisiti necessari

• Conoscere le regole di bilanciamento delle reazioni chimiche e la stechiometria delle reazioni;
• conoscere le soluzioni e le modalità di espressione delle concentrazioni;
• caper preparare soluzioni a diverse concentrazioni;
• conoscere le proprietà degli elementi in base alla loro posizione nella tavola periodica;
• conoscere e utilizzare correttamente la strumentazione di laboratorio;
• nozioni elementari di ottica;
• conoscere l’uso di un foglio elettronico.

Obiettivi di apprendimento

• Diffusione della cultura delle nanotecnologie nell’ambito dell’istruzione superiore;
• introduzione di concetti che sono alla base delle nanotecnologie attraverso esperimenti finalizzati alla produzione e caratterizzazione di nanomateriali;
• controllare e manipolare la materia su scala sub-micrometrica;
• sviluppare metodologie per l’analisi della materia nano e microstrutturata;
• studiare le proprietà dei nanomateriali;
• potenziare la metodologia dell’indagine scientifica.

Dotazioni di sicurezza

• Necessari i comuni DPI;
• porre attenzione all’uso delle luci laser onde evitare problemi agli occhi.

Svolgimento

Introduzione. 

L’attività che verrà svolta ha come obiettivo principale quello di mostrare agli studenti una metodologia di produzione di nanomateriali attraverso sintesi chimica. In particolare nel corso dell’esperienza saranno sintetizzare delle nanoparticelle (NP) di Argento e si osserveranno alcuni fenomeni ottici legati all’interazione di tali particelle con la luce. I nanomateriali possono essere prodotti con diverse tecnologie; in questo percorso si vuole mostrare una metodologia che fa parte della classe nota come “bottom up”. In tale approccio le nanostrutture sono prodotte a partire da singoli elementi atomici o molecolari, in questo casi ioni Argento.

Sintesi delle particelle. 

Per la sintesi di NP di argento puro occorre preparare una soluzione di \(AgNO_3\)  0,2M ossia sciogliere 340 mg di nitrato d’argento in 10 ml di acqua distillata.

L’argento sciolto in acqua si dissocia nei suoi ioni componenti secondo l’equilibrio:  

\[AgNO_3 \longrightarrow  Ag^+ + NO_3^-\]

Prepariamo ora una soluzione di \(NaOH\) (idrossido di sodio) 0,5M che agirà come catalizzatore, ossia accelererà la reazione chimica (figura 2).

Attenzione: Aggiungiamo 5g di soda a 250 ml di acqua, MAI il contrario.

Prepariamo in un altro becker da 50 ml una soluzione 1M di glucosio sciogliendo 1,8 gr di glucosio in 10 ml di acqua (figura 3).

Nella soluzione di \(AgNO_3\)  (trasparente) si aggiunge la soluzione di glucosio 1M, quindi la gelatina e poi l’ \(NaOH\) e si osserva un viraggio al colore marrone, segno che è avvenuta una reazione (figura 4).

Gli ioni argento in soluzione hanno reagito con il glucosio portando ad una reazione redox.
Il glucosio si comporta da agente riducente:   il gruppo aldeidico del glucosio si  ossida ad acido carbossilico formando l’acido gluconico. Ciò fornisce elettroni all’ \(Ag^+\) per trasformarlo in \(Ag^0\) ossia argento metallico secondo le due semireazioni redox:

\[C_6H_{12}O_6 + H_2O \longrightarrow C_6H_{12}O_7 + 2e + 2H^+\]

\[Ag^+ + e \longrightarrow Ag^0\]

La gelatina impedisce in parte l’aggregazione delle particelle di argento disperse in soluzione. In questo modo le  nanoparticelle  non vanno a fondo come succederebbe se la reazione avvenisse in soluzione acquosa dato che l’argento ha densità maggiore dell’acqua (densità dell’argento=10,49 gr/cm3). Si forma perciò una sospensione.

Diffusione della luce. 

Il passo successivo consiste nella filtrazione della sospensione di particelle di argento per rimuovere gli aggregati di dimensioni maggiori, che conferiscono la colorazione scura alla soluzione. Allo scopo si può utilizzare della carta da filtro, come mostrato nella foto di figura 5.

Si ottiene una soluzione trasparente, leggermente colorata, che può essere utilizzata per l’analisi della diffusione della luce dalle particelle. Allo scopo è utile per confronto un becker contenente solo acqua.

Si posiziona un laser sul banco di lavoro, con il fascio laser orizzontale.

ATTENZIONE: quando si utilizza il laser occorre indossare gli occhiali di protezione e far riferimento a tutte le procedure per l’utilizzo in sicurezza del dispositivo.

Si indirizza il fascio laser in modo che passi sia all’interno della sospensione di nanoparticelle di \(Ag\) e nell’acqua come mostrato in figura 6.

Gli studenti sono quindi invitati ad osservare il comportamento della luce nei due campioni e a formulare ipotesi sul fenomeno osservato.

Mentre il fascio che attraversa l’aria e l’acqua non è visibile, nella sospensione con le nanoparticelle è possibile distinguere un fascio luminoso. L’effetto è dovuto alla diffusione della luce da parte delle nanoparticelle, che deviano la luce dal loro percorso rettilineo, permettendo di raggiungere l’occhio dell’osservatore. Tale metodo costituisce anche un approccio per visualizzare la presenza di nanoparticelle nella soluzione. La diffusione della luce da nanoparticelle metalliche ha molte applicazioni, basti pensare per esempio alla colorazione dei vetri.

Note e storia

Già nel IV secolo troviamo un’applicazione dell’uso delle nanoparticelle nella coppa di Licurgo.  E’ una coppa diatreta di vetro (consiste di un contenitore interno e di un guscio decorativo esterno che si distacca dal corpo della coppa, al quale resta attaccato tramite corti supporti) di epoca romana costruita con vetro dicroico e che  mostra un colore diverso a seconda del modo in cui la luce passa attraverso di essa: rosso quando illuminata da dietro e verde quando illuminata frontalmente. L’effetto dicroico è realizzato contaminando il vetro con piccole proporzioni di nanoparticelle di oro e argento disperse in forma colloidale in tutto il volume vetroso. Probabilmente l’effetto è stato prodotto accidentalmente in seguito alla contaminazione con nanoparticelle di oro e di argento. I vetrai potrebbero non essere stati a conoscenza della presenza di questi metalli nella preparazione, date le quantità in gioco estremamente piccole. È possibile che le tracce di oro e argento provenissero da residui di lavorazioni precedenti lasciati nel laboratorio da altri lavoratori. Le particelle hanno le dimensioni di circa 70 nanometri e sono visibili solo con un microscopio elettronico a trasmissione.

Autori

Setola Raffaele

Specifiche esperimento Materia Chimica Classi a cui è rivolto 5° anno Tipologia di laboratorio Strumentazione semplice Reperibilità del materiale Negozi specializzati, siti web Materiale specifico Laser elio-neon, microscopio, videocamera o macchina fotografica (opzionale), calibro di vetro, nitrato di argento, idrossido di sodio, glucosio, gelatina, acqua distillata Durata esperimento in classe 2 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Chimica Nanotecnologie Sintesi di nanomateriali Proprietà dei nanomateriali