Atomic Layer Deposition: Principi e Applicazioni

L'accesso all'acqua potabile è un diritto primario universale, come sancito dall’Assemblea Generale delle Nazioni Unite nel 2010. Purtroppo rappresenta il secondo problema dell’umanità infatti 4 miliardi di persone hanno scarso accesso all’acqua potabile e milioni muoiono ogni anno per malattie dovute ad acqua contaminata. Questi numeri cresceranno a causa dell'aumento della siccità e dello sviluppo industriale dei paesi emergenti con conseguente contaminazione dell'acqua per lo scarico di inquinanti [Chong et al. Water Res. 44 (2010)]. Le Nazioni Unite hanno previsto che, entro il 2030, il 47% della popolazione mondiale avrà seri problemi di reperimento d’acqua. Da anni la comunità scientifica sviluppa tecnologie avanzate di trattamento dell'acqua. Il goal principale è ottenere processi ad alta efficienza, cioè con migliori prestazioni ma a costo ridotto sia nella produzione di materiali che nei consumi energetici, e a basso impatto ambientale secondo un moderno approccio di sostenibilità ambientale ed economica. La ricerca è focalizzata sulla sintesi di nuovi materiali nanostrutturati (ad es. particelle di dimensioni nanometriche, cioè decimi di milionesimo di metro) capaci di purificare l’acqua. Particolare attenzione è stata rivolta ai semiconduttori fotocatalizzatori (TiO2 e ZnO), ovvero materiali innovativi che, irradiati da luce, innescano reazioni chimiche capaci di degradare sia composti organici tossici che microorganismi [Chong et al. Water Res. 44 (2010); Malato et al. Catal. Today 147, 1 (2009)]. Il lavoro di tesi “Atomic Layer Deposition: Principi e Applicazioni” che si candida per il “Premio Sanpellegrino Campus-Terza edizione” è stato sviluppato nell'ambito del progetto WATER (Winning Applications of nanoTEchnology for Resolutive hydropurification) https://www.water.imm.cnr.it/ finanziato con 4 milioni di euro dalla Commissione Europea nell’ambito del VII Programma Quadro e coordinato dal Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto per la Microelettronica ed i Microsistemi (CNR-IMM). La tesi si inquadra nella ricerca di nuovi materiali made in Italy per la tutela delle risorse (risparmio idrico, riduzione dei rifiuti, riduzione dell’impatto ambientale delle industrie). La scelta della tecnica di sintesi è basilare. Esistono molti metodi, anche a basso costo, per creare nanomateriali, ma è arduo produrne con definite proprietà. Poiché le proprietà di fotocatalisi sono legate a pochi nanometri di materiale, una strategia è quella di ricoprire nanomateriali già esistenti con un materiale fotocatalizzatore che ne garantisca l’applicabilità e la non tossicità in acqua. L'Atomic Layer Deposition (ALD) è il metodo ideale per ricoprire nanomateriali con uno strato sottile (pochi nanometri), garantendo un'eccellente conformità del ricoprimento [Pinna et al. Atomic Layer Deposition of Nanostructured Materials (2012)]. Il vantaggio è di modificare le proprietà fotocatalitiche delle particelle ricoperte. Tra i semiconduttori fotocatalizzatori, l’ossido di titanio (TiO2) è il miglior candidato per le sue caratteristiche di elevata stabilità termica e chimica, ottima efficienza fotocatalitica, non tossicità e basso costo. Sebbene il TiO2 sia già usato per trattare le acque (Plataforma Solar de Almeria [Malato et al. Catal. Today 147, 1 (2009)]), si vuole aumentare l'efficienza del processo di fotocatalisi e rendere il materiale sensibile alla luce visibile. E' fondamentale chiarire come il meccanismo di fotocatalisi funzioni nelle nanostrutture per poter essere reso più efficiente. Dunque è importate disporre di una tecnica di sintesi che permetta un elevato controllo delle proprietà del materiale. Buona parte di queste strategie sono realizzabili con l'ALD. Un esempio è rappresentato da fotocatalizzatori compositi, come nanoparticelle di TiO2 ricoperte da un film ultrasottile di ZnO, che migliora l’efficienza del processo a causa del drogaggio dello ZnO durante la sintesi [King et al. Adv. Funct. Mater. 18, 607 (2008)]. In conclusione, l'ALD può essere impiegato con successo per la sintesi di nanomateriali con un grande potenziale per il trattamento delle acque. L'acqua è un bene comune e un diritto che va garantito soprattutto in zone con scarsità di acqua potabile. La versatilità dei nanomateriali fotocatalizzatori e l’alta efficienza sono caratteristiche che favoriranno la commercializzazione anche nei paesi in via di sviluppo, per i quali gli elevati costi di altri metodi di purificazione sono insostenibili.