Fondamenti di Scienza dei Materiali per il Biomedico: superfici e interfacce

Università degli Studi di Messina

Dipartimento di Ingegneria

NIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Proprietà di Superficie

• Forze di interazione di superficie
• Bagnabilità
• Rugosità
• Tecniche di caratterizzazione

Scienza delle Superfici

SCIENZA DELLE SUPERFICI La scienza delle superfici studia i fenomeni fisici e chimici che avvengono all'interfaccia tra due fasi differenti. Include i campi della fisica delle superfici e della chimica delle superfici. . La fisica delle superfici studia i cambiamenti fisici che avvengono all'interfaccia. · La chimica delle superfici studia le «reazioni chimiche» all'interfaccia La chimica delle superfici è intimamente legata alla funzionalizzazione superficiale, che mira a modificare la composizione chimica di una superficie incorporando elementi particolari o gruppi funzionali che possono produrre vari effetti desiderati o migliorare alcune proprietà della superficie (o dell'interfaccia).NIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Interfaccia e Interfase

Definizioni

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione SCIENZA DELLE SUPERFICI INTERFACCIA: superficie di confine tra fasi diverse (2D) INTERFASE: regione tridimensionale (reale) in cui avviene il passaggio da una fase all'altra (3d).

Differenze tra Interfaccia e Interfase

• L'interfaccia è una regione bidimensionale, mentre l'interfase è una regione tridimensionale.
• L'interfaccia corrisponde ad una regione fittizia, mentre l'interfase corrisponde ad una regione reale; nella realtà infatti due fasi non sono delimitate da una superficie (interfaccia), bensì da una regione (interfase) che è sede di fenomeni differenti da quelli che avvengono nel bulk delle due fasi.

Ingegnerizzazione delle Superfici

Applicazioni

Ingegnerizzazione delle superfici Utilizzata nel settore automobilistico, aerospaziale, dell'alimentazione, elettronica, biomedicale, tessile, petrolifero, petrolchimico, chimico, siderurgico, energia, cemento, macchine utensili e industrie di costruzione.

• Superfici innovative multifunzione
• Sensoristica
• Rivestimenti funzionali
• Biocompatibilità dei materialiNIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Importanza delle Superfici/Interfasi

Corteccia Cerebrale

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione SCIENZA DELLE SUPERFICI IMPORTANZA DELLE SUPERFICI/INTERFASI Corteccia cerebrale Superfici ed interfasi sono i "luoghi" preferiti dell'evoluzione. Molti sistemi biologici si sono evoluti aumentando la loro area superficiale o aumentando il rapporto superficie/volume. Nell'essere umano la corteccia cerebrale presenta delle circonvoluzioni. È infatti notevolmente ripiegata al fine di poter contenere un ampia superficie senza un aumento del volume del cervello.NIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Fotosintesi Clorofilliana

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione SCIENZA DELLE SUPERFICI IMPORTANZA DELLE SUPERFICI/INTERFASI Fotosintesi clorofilliana Nelle foglie verdi si ha la massima efficienza per quanto riguarda la fotosintesi clorofilliana, grazie all'elevato sviluppo superficiale della foglia (maggior numero di centri di reazione). O2 CO2 H2O 2NIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Formazione dei Fiocchi di Neve

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione SCIENZA DELLE SUPERFICI IMPORTANZA DELLE SUPERFICI/INTERFASI Formazione dei fiocchi di neve Tra i fenomeni che riguardano le interfasi, vi è la formazione dei fiocchi di neve, costituiti dall'aggregazione casuale di acqua ghiacciata cristallina. Partono tutti da una forma base a cristallo esagonale, da cui spuntano «rametti» e strutture ramificate. Fiocco di neve esagonale: difficilmente si vede a occhio nudo. Si manifesta intorno ai -2℃. Poi inizia la formazione delle prime creste, arrivando ad una forma di stella (-5℃), e negli angoli dove si «cattura» l'umidità inizia la ramificazione. Intorno ai -15℃ si formano delle lamette affilate e si arriva a dimensioni degli aggregati di 2-4 mm, visibili all'occhio umano.NIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25 PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione SCIENZA DELLE SUPERFICI IMPORTANZA DELLE SUPERFICI/INTERFASI Formazione dei fiocchi di neve La forma del cristallo dipende dalla temperatura. Man mano che il cristallo cresce si avrà un gradiente di concentrazione (maggiore concentrazione di molecole negli spigoli del cristallo) che favorirà la crescita in direzioni privilegiate, creando i tipici rami dei fiocchi dendridici. Plates Columns Plates Columns and Plates 0.3 Needles Dendrites 0.2 Sectored plates Water saturation Hollow columns Columns 0.1 Plates Thin plates Solid plates Plates Solid prisms 0 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 Temperature Supersaturation (g/m3) DendritesNIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Formazione Bolle di Sapone

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione SCIENZA DELLE SUPERFICI Formazione bolle di sapone I saponi sono dei tensioattivi, ovvero sostanze che abbassano la tensione superficiale dei liquidi, grazie al fatto che le loro molecole sono anfifiliche, ovvero hanno una "testa" idrofila carica negativamente e una "coda" idrofoba. Le teste cariche negativamente si respingono a vicenda e mantengono le molecole dell'acqua separate le une dalle altre, facendo diminuire la loro coesione (che tenderebbe ad aggregarle per rompere la bolla di sapone a causa della forza di gravità). Nelle bolle di sapone si formano tre sottilissimi strati, uno di molecole d'acqua racchiuso tra due strati di molecole di sapone, che diminuiscono la tensione superficiale a circa a 1/3. Bolla di saponeNIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

La Tensione Superficiale

Definizione e Meccanismo

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione LA TENSIONE SUPERFICIALE Ogni molecola che si trova nell'interno di un liquido o di un solido, è soggetta a forze di attrazione bilanciate esercitate dalle altre molecole che la circondano (la risultante di queste forze è nulla ed ognuna di esse si trova in equilibrio rispetto alle altre); mentre ogni molecola che si trova sulla superficie libera di un liquido o di un solido, è soggetta a forze di attrazione non bilanciate da parte delle molecole sottostanti e da quelle laterali la cui risultante è diretta verso il centro della massa del liquido o del solido. In altre parole, le forze che agiscono sulle molecole di superficie non sono equilibrate verso l'alto e da ciò risulta una compressione verso l'interno. Questo perché ogni molecola sulla superficie è circondata da un numero di molecole che nella fase condensata sottostante è maggiore di quello nella fase aeriforme sovrastante. Questa forza attrattiva netta fa sì che la superficie del liquido si contragga verso l'interno finché le forze di collisione repulsive delle altre molecole non arrestano la contrazione nel punto in cui l'area superficiale è minima. Se il liquido non è soggetto a forze esterne, un campione di liquido forma una sfera, che ha l'area superficiale minima per un dato volume.NIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Forza di Coesione e Membrana Elastica

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione LA TENSIONE SUPERFICIALE A sua volta, la forza di coesione fra le molecole fornisce una forza tangenziale alla superficie. La tensione superficiale esprime la forza con cui le molecole superficiali si attirano l'un l'altra; le molecole superficiali, non essendo circondate completamente da altre particelle, concentrano le forze intermolecolari in un'unica direzione, aumentandone quindi l'intensità. La superficie di un liquido si comporta dunque come una membrana elastica che avvolge e comprime il liquido sottostante.NIVERSITAS STVDIORVM MESSANAE A.D.1548 Università degli Studi di Messina DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI PER IL BIOMEDICO A.A. 2024/25

Valori di Tensione Superficiale

PROPRIETA' DI SUPERFICIE: - Forze di interazione di superficie - Bagnabilità - Rugosità - Tecniche di caratterizzazione LA TENSIONE SUPERFICIALE La tensione superficiale di un fluido è quindi la tensione (forza) meccanica di coesione delle particelle sulla sua superficie esterna. Essa corrisponde microscopicamente alla densità superficiale di energia di legame sull'interfaccia tra un corpo continuo e un materiale di un'altra natura, ad esempio un solido, un liquido o un gas. I seguenti valori mostrano quanto forte sia la "membrana elastica" invisibile che si forma sulla superficie di ciascun liquido: Acqua: circa 72 mN/m a 25°C. Mercurio: circa 485 mN/m a 25℃, molto più alta a causa delle elevate forze di coesione tra gli atomi di mercurio. Il che spiega perché le gocce di mercurio siano così compatte e mantengano una forma quasi perfettamente sferica. Etanolo (alcol etilico): circa 22 mN/m a 25℃, più bassa rispetto all'acqua a causa delle minori forze attrattive tra le sue molecole. Olio d'oliva: variabile, ma generalmente intorno ai 32 mN/m, indicativo delle deboli forze di coesione in confronto all'acqua.