RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

RECUPERO E CONSERVAZIONE DEI BENI ARCHITETTONICI: MATERIALI NANOSTRUTTURATI E TECNOLOGIE INNOVATIVE

Università di riferimento

Università degli Studi di MESSINA - CHIMICA INORGANICA,CHIMICA ANALITICA E CHIMICA FISICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Pasquale Piraino

Descrizione

Il presente programma di ricerca e’ finalizzato allo sviluppo di materiali nanostrutturati suscettibili di applicazione nel settore della 'conservazione’ dei manufatti litici di interesse storico- artistico. I materiali nanostrutturati sono oggetto di interesse sempre crescente sia da parte della comunità scientifica sia da parte delle industrie e trovano larga applicazione in settori come elettronico, farmaceutico, industria delle pitture, etc. I 3.5 bilioni di dollari investiti in questo settore nel 2004 sono una prova dell’interesse e delle speranze che governi, industrie e comunità scientifica nutrono nelle nanotecnologie Il termine nanometrico è oggi generalmente riferito a materiali le cui particelle hanno dimensioni inferiori a 100 nanometri e la vorticosa crescita di tale settore è dovuta alle proprietà innovative che si manifestano nella materia ordinaria quando la sua dimensione viene man mano ridotta fino a raggiungere valori di poche decine di nanometri. La riduzione delle dimensioni si traduce in un aumento della superficie delle stesse con conseguente considerevole incremento delle prestazioni rispetto a quelle esibite dai materiali su scala macroscopica. La variazione delle proprietà è largamente dipendente dal grande numero di molecole che possono simultaneamente partecipare ad una reazione chimica. Con materiali di dimensioni macroscopiche solo gli atomi dello strato superficiale sono in grado di reagire mentre con materiali nanostrutturati quasi ogni atomo è in grado di reagire avendo l’intera sua superfice libera. Se un materiale ceramico o argilloso, le cui dimensioni vengono ridotte sino a raggiungere dimensioni nanometriche, viene aggiunto ad un polimero, si otterrà un materiale composito caratterizzato da proprietà meccaniche nettamente superiori a quelle dei materiali convenzionali.
In particolare questa unità operativa si propone di:
- Sintetizzare materiali nanostrutturati atti al consolidamento ad alla idrofobizzazione di materiali litici deteriorati.
Il programma proposto prevede, in una prima fase:
la sintesi di polimeri ibridi organici-inorganici coinvolgenti monomeri epossidici, alifatici o cicloalifatici funzionalizzati con gruppi Si(OR)3 ed ammine, primarie o secondarie anch’esse funzionalizzate con gruppi Si(OR)3. Essendo le ammine utilizzate in grado sia di reagire con il gruppo epossidico sia di catalizzare idrolisi e condensazione dei gruppi Si(OR)3, via attacco nucleofilo di gruppi OH- secondo un meccanismo ormai consolidato, non e’ difficile prevedere il contemporaneo sviluppo del network organico e del network inorganico. Poiche’ inoltre le reazioni verrano condotte in differenti rapporti epossido/ammina, l’ammina si configurera’ talora come co-reagente, talora come semplice catalizzatore con prevedibili effetti sullo sviluppo del network inorganico rispetto al network organico. Allo scopo di ottenere materiali idrofobici o oleofobici sono anche in programma reazioni di copolimerizzazione che prevedeno l’utilizzo di epossidi ed alcossisilani fluorurati. E’ ben noto infatti che la presenza di catene alchiliche polifluorurate è in grado di diminuire l’energia superficiale del sistema con inevitabili ricadute sulla idrorepellenza dei materiali. Le suddette reazioni verranno condotte in condizioni sperimentali prossime, per quanto possibile, a quelle esistenti all’interno del materiale lapideo. In particolare verranno condotte a temperatura ambiente e senza acqua mentre il successivo ‘curing’ avverra’ a 30°C e 50% di umidita’. L’acqua necessaria per l’idrolisi dei gruppi Si(OR)3 verra’ lentamente assorbita da parte della miscela di reazione direttamente dall’atmosfera. E’ bene ricordare che la sintesi di materiali silico-epossidici, attraverso la tecnica sol-gel, usualmente prevede aggiunta di acqua, in quantita’ stechiometrica rispetto al numero di gruppi Si(OR)3 da idrolizzare, catalisi acida e conseguente ‘curing’ a temperature di ca. 180°C. Le suddette condizioni sperimentali, cioe’ polimerizzazione in assenza di acqua e ‘curing’ a temperatura ambiente, sono state recentemente esplorate con successo portando alla formazione di materiali vetrosi in cui la formazione del network inorganico procede con un grado di condensazione decisamente elevato (91-95 %) e con una netta prevalenza della substruttura silicatica del tipo T3 [RSi(OSi)3]. L’ottimizzazione dei prodotti verra’ perseguita attraverso un attento ‘tuning’ delle condizioni sperimentali (rapporti molari, solvente, temperatura, curing). Si prevede che il meccanismo di funzionamento di tali materiali sia assimilabile a quello dei composti contenenti silicio. L’idrolisi dei gruppi Si(OR)3 presenti in tali materiali genera frammenti Si-OH suscettibili di interagire sia covalentemente che elettrostaticamente con la superficie del materiale litico, ancorando cosi’ la matrice polimerica organica al supporto lapideo. In combinazione o in successione i gruppi silanolici possono altresi’ dare luogo a reazioni di condensazione introducendo domini inorganici all’interno del network organico. La positiva influenza dei raggruppamenti Si(OR)3 ancorati su matrici metacriliche e’ stata gia’ verificata da codesta U.R. Nei predetti materiali il componente inorganico agisce da ‘network modifier’ influenzando proprieta’ quali durezza, resistenza meccanica, resistenza chimica, trasparenza ottica, etc., mentre il componente organico agisce come ‘network former’ con ricadute sulla processabilita’ del materiale, sulle sue proprieta’ idrofobiche e sulle sue proprieta’ meccaniche. Poiche’ lunghezza delle catene, 'branching’, estensione dei domini e composizione possono essere finemente modulati, si possono ottenere materiali con le desiderate proprieta’ e meglio rispondenti ai fini cui sono preposti. Infine, poiche’ la sintesi dei suddetti materiali coinvolge specie a basso peso molecolare si prevede l’opportunita’ di effettuare la polimerizzazione direttamente all’interno della pietra bypassando uno dei maggiori deterrenti all’uso dei polimeri organici e cioe’ la insufficiente profondita’ di penetrazione.
I composti sintetizzati saranno caratterizzati attraverso indagini spettroscopiche (Raman, FT-IR, CP MAS 29Si NMR), morfologiche (SEM), meccaniche (DMA) e microstrutturali al fine di valutare sia il grado di condensazione sia le differenti tipologie di substrutture silicatiche presenti allo stato solido, la sua omogeneita’ e le proprieta’ meccaniche. Le indagini termogravimetriche e DSC consentiranno di valutare la stabilita’ termica dei materiali ottenuti, eventuali reazioni di 'post curing’, l’individuazione della temperatura di transizione vetrosa, essendo quest’ultimo un altro parametro chiave di un prodotto conservante. Le proprietà idrorepellenti saranno valutate attraverso misure di angolo di contatto statico e dinamico prima su supporti vitrei e poi su materiali litici opportunamente trattati.
La seconda fase del programma prevede:
- La preparazione, in varie condizioni sperimentali, di campioni di malte carbonatiche e idrauliche in cui vengono dispersi, allo stato nanometrico, composti inorganici, i polimeri sintetizzati in fase 1 e nanotubi di carbonio forniti dal Prof. Seeram Ramakrishna della National University of Singapore.
- Lo studio cinetico della reazione di carbonatazione del legante carbonatico e dello sviluppo della fase idraulica in presenza dei suddetti fillers

Le due fasi della ricerca saranno sviluppate in stretta collaborazione con l’U.O. n.2, che si occuperà della preparazione e stabilizzazione delle nanoparticelle, e con l’U.O. n.1, che valuterà le performance dei nuovi materiali in termini di proprietà meccaniche, valutazione dei fenomeni di trasporto (permeabilità all’aria, al vapore d’acqua, assorbimento di acqua per capillarità, test di evaporazione), test di invecchiamento artificiale in camera climatica per valutare l’impatto di fattori climatici ed inquinanti sui nuovi materiali.