Dal Nobel…alle vernici: innovazione nella tecnologia dei prodotti vernicianti

Giovanni Cicatiello

LE RICERCHE SULLE NANOTECNOLOGIE PROSEGUONO NEL CAMPO DELLE VERNICI APRENDO NUOVE POSSIBILITà, A PARTIRE DALLO SVILUPPO E APPLICAZIONE DI “PUNTI QUANTICI”, NANOCRISTALLI SEMICONDUTTORI, CHE HANNO STUDIATO E SVILUPPATO I TRE PREMI NOBEL PER LA CHIMICA Moungi Bawendi, Louis Brus e Alexei Ekimov, PREMIATI NEL 2023

La scienza e le vernici formano un binomio perfetto, guidando ad innovazioni in grado di incidere con cambiamenti positivi molti aspetti della vita dell’uomo. In particolare le vernici avanzate ed innovative prodotte con nanotecnologie sono oggetto di studi ed approfondimenti per la verifica e il miglioramento delle proprietà antibatteriche, autopulenti e di resistenza alle intemperie dei nuovi rivestimenti, per citare alcuni esempi.
Nel 2023, il Premio Nobel per la chimica è stato assegnato a tre scienziati che lavorano negli USA, Moungi Bawendi, Louis Brus e Alexei Ekimov per i loro contributi pionieristici in tema di nanotecnologie, in particolare nello sviluppo e nell’applicazione dei quantum dots (punti quantici, in italiano).

Cosa sono i quantum dots?

I quantum dots (QD) sono nanocristalli semiconduttori, tipicamente delle dimensioni di pochi nanometri. Queste minuscole particelle hanno proprietà uniche che derivano dalle loro dimensioni estremamente ridotte e dal fenomeno del confinamento quantistico. Questo confinamento costringe gli elettroni all’interno del quantum dot a occupare livelli energetici discreti, anziché un continuo di stati energetici, conferendo ai QD proprietà ottiche ed elettroniche straordinarie.

Proprietà dei quantum dots

I quantum dots (QD) possiedono diverse caratteristiche:

• emissione di luce regolabile: i QD possono emettere luce a lunghezze d’onda specifiche in base alle loro dimensioni. QD più piccoli emettono luce blu, mentre quelli più grandi emettono luce rossa
• elevata luminescenza: i QD possono emettere luce con un’elevata intensità e stabilità, rendendoli visibili anche in condizioni di scarsa luminosità
• stabilità: sono chimicamente e fisicamente stabili, il che li rende resistenti alla degradazione nel tempo sotto l’esposizione alla luce e al calore.

La ricerca è in corso per migliorare i processi di produzione e ampliare le applicazioni. Con il continuo avanzamento della tecnologia, le vernici con QD potrebbero diventare sempre più comuni, portando innovazioni significative in vari settori.
Lo studio e la ricerca possono prevedere l’impiego dei QD nelle vernici fotoluminescenti; queste vernici possono assorbire la luce (naturale o artificiale) e riemetterla a specifiche lunghezze d’onda utilizzandole nella segnaletica di sicurezza o nelle decorazioni per creare effetti luminosi particolari.
Vernici con colori regolabili possono trovare impiego per fornire indicazioni termocromatiche; le vernici con QD possono cambiare colore in base alla temperatura, fornendo indicazioni visive immediate del calore o del freddo, utili in applicazioni industriali e di sicurezza.
I QD potrebbero essere utilizzati anche per migliorare l’efficienza energetica delle superfici rivestite. Le vernici contenenti QD possono riflettere o assorbire specifiche lunghezze d’onda della luce (IR), contribuendo al controllo termico degli edifici mentre l’assorbimento della componente infrarossa della luce solare contribuirebbe al riscaldamento di case e capannoni industriali.
Un altro campo da esplorare è quello delle vernici fotoluminescenti, che possono migliorare l’illuminazione naturale all’interno degli edifici, riducendo la necessità di illuminazione artificiale durante il giorno.
Possono i QD essere davvero impiegati nelle formulazioni dei prodotti vernicianti e rivoluzionare il tradizionale concetto di rivestimento?
L’abbiamo chiesto a Francesco Romano, CEO e cofondatore di Sinbiosys (SBY), prima start up in Italia a studiare e produrre i quantum dots.

GC – Di cosa si occupa SBY?
FR – Sinbiosys è una start-up innovativa nata nel 2020 come spin-off dell’Università di Bologna. SBY sfrutta la conoscenza in ambiti di fotochimica e nanomateriali del gruppo di ricerca della professoressa Paola Ceroni.
La società studia e produce materiali innovativi per applicazioni in vari ambiti, in particolare produce materiali luminescenti come ad esempio i quantum dots.

GC – Che caratteristiche hanno i QD prodotti da SBY?
FR – Sono nanocristalli semiconduttori luminescenti che possono essere programmati per emettere luce stimolata a con diverse rese del colore senza dover cambiare il tipo di materiale.
Infatti, le caratteristiche ottiche dipendono non più solo dal tipo di materiale ma dalle dimensioni della nanoparticella e dalla chimica della superficie.
Sono materiali inerti e altamente resistenti dal punto di vista chimico, termico e sotto irradiazione solare.
Caratteristiche simili finora venivano ottenute solamente attraverso l’utilizzo di materiali molto costosi come, ad esempio, complessi molecolari contenenti elementi delle cosiddette, terre rare.
Sinbiosys si distingue per realizzare QD a partire dal silicio, un materiale sicuro, conosciuto e abbondante.
Inoltre, i QD di silicio si distinguono dai QD tradizionali e dai pigmenti commerciali perché hanno tempi decadimento di emissione caratteristici che li rendono dei traccianti con delle finger print di emissione di luce uniche e non riproducibili per retro-ingegnerizzazione e utilizzabili a concentrazioni molto basse.

GC – Che altre applicazioni hanno i quantum dots?
FR – I QD hanno possono essere utilizzati come agenti traccianti o di sicurezza in bassissime concentrazioni, ad esempio dell’ordine di pochi parti per milione.
Hanno caratteristiche foto fisiche uniche che li rendono interessanti come filtri o additivi UV.
Al momento abbiamo testato la compatibilità dei nostri materiali con inchiostri per stampa e con svariati polimeri per applicazioni in ambito della tracciabilità e riciclo delle materie plastiche; e stiamo collaborando con enti e aziende per applicazioni in ambito sicurezza e certificazione fisica dei materiali.

GC – Illustrando degli esempi pratici, quali stima possano essere i vantaggi immediati utilizzandoli nella formulazione di vernici industriali?
FR – Per quanto riguarda un utilizzo in ambito vernici industriali si potrebbero, per esempio, sfruttare le ottime caratteristiche di assorbimento dei QD come filtri UV ad alto valore aggiunto, permettendo teoricamente una protezione efficace al deterioramento dei rivestimenti quando esposti all’esterno.
I nostri materiali hanno infatti un alto coefficiente di assorbimento nell’ultravioletto rimanendo trasparenti nella zona del visibile dello spettro elettromagnetico. La loro natura inorganica conferisce per questo ambito di utilizzo un’alta resistenza alla luce.

Conclusioni

Il percorso dell’innovazione nella tecnologia dei prodotti vernicianti contenenti i quantum dots è solo all’inizio. La ricerca fatta sinergicamente tra università, industria e settore vernici indicherà le potenzialità ed i campi d’utilizzo di questa nuova scoperta per i rivestimenti del futuro.

I quantum dots (QD) sono nanocristalli semiconduttori luminescenti. Questi nanomateriali sono costituiti da un nucleo di cristallo circondato da uno o più strati protettivi differenti e uno strato passivante. Le loro dimensioni nanometriche consentono un comportamento peculiare, completamente diverso rispetto ai materiali voluminosi corrispondenti. Infatti, questi materiali, quando viene fornita energia, mostrano una fotoluminescenza indotta straordinariamente efficiente e regolabile in base alle dimensioni su una vasta gamma di colori. Quindi, con lo stesso materiale, è possibile ottenere colori diversi nell’intervallo visibile e anche nella regione del vicino infrarosso per una vasta gamma di applicazioni.