Molecular Self-Assembly in Biomaterials

La Physics of Failure (PoF) è un approccio di ingegneria dell'affidabilità che utilizza le conoscenze della scienza dei materiali e della fisica per comprendere e modellare i meccanismi alla base dei guasti. Invece di basarsi puramente sui dati statistici dei guasti passati, si concentra sulla previsione dei guasti analizzando i processi fisici (ad esempio, fatica, corrosione, creep) che portano al degrado e alla rottura.

L'effetto di dimensione quantistica descrive il fenomeno per cui le proprietà elettroniche e ottiche di un materiale cambiano quando le sue dimensioni si avvicinano alla scala nanometrica. Quando le dimensioni di un materiale diventano paragonabili alla lunghezza d'onda di de Broglie dell'elettrone, si verifica un confinamento quantistico. Questo quantizza i livelli energetici degli elettroni, portando a un band gap dipendente dalle dimensioni, [latex]E_g(R) ´approssimativamente E_{g,\b\u\lk} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2R^2}(\frac{1}{m_e^*} + \frac{1}{m_h^*})[/latex].

Lo standard ISO 5725 definisce l'accuratezza come la combinazione di esattezza e precisione. L'esattezza è la vicinanza della media di un'ampia serie di misurazioni al valore di riferimento accettato, che quantifica l'errore sistematico o la distorsione. La precisione è la vicinanza dell'accordo tra una serie di risultati, che quantifica l'errore casuale. Pertanto, l'accuratezza richiede sia un'elevata veridicità che un'elevata precisione.

La sintesi top-down prevede la creazione di nanomateriali partendo da un materiale più grande e sfuso e scomponendolo o modellandolo fino alla scala nanometrica. Le tecniche chiave includono metodi meccanici come la macinazione a sfere e metodi litografici come la fotolitografia, la litografia a fascio elettronico e la litografia a nanoimpronta. Questi metodi sono spesso utilizzati per creare superfici strutturate e circuiti integrati, ma possono presentare imperfezioni superficiali.

L'elettronica molecolare esplora l'utilizzo di singole molecole o di insiemi molecolari su scala nanometrica come componenti elettronici fondamentali. Questo approccio mira a costruire circuiti al limite estremo della miniaturizzazione, ben oltre la tradizionale tecnologia basata sul silicio. I componenti chiave includono fili molecolari, interruttori e raddrizzatori, che sfruttano proprietà della meccanica quantistica come l'effetto tunnel degli elettroni attraverso gli orbitali molecolari per il loro funzionamento.

Le batterie agli ioni di litio funzionano attraverso un meccanismo di intercalazione, un inserimento reversibile di ioni in un materiale ospite stratificato. Durante la scarica, gli ioni di litio ([latex]Li^+[/latex]) si deintercalano da un elettrodo negativo (anodo), tipicamente grafite, e si muovono attraverso un elettrolita non acquoso per intercalarsi in un elettrodo positivo (catodo), tipicamente un ossido metallico. Gli elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno, creando corrente.

Un transistor a singolo elettrone (SET) è un dispositivo di commutazione che utilizza l'effetto tunnel controllato per manipolare il flusso di singoli elettroni. È costituito da un punto quantico (l'"isola") accoppiato ai terminali di source e drain tramite giunzioni tunnel e accoppiato capacitivamente a un elettrodo di gate. Il suo funzionamento si basa sull'effetto di blocco di Coulomb, che consente un'estrema sensibilità e un basso consumo energetico.

I nanotubi di carbonio (CNT) sono molecole cilindriche di fogli arrotolati di atomi di carbonio a strato singolo (grafene). Possono essere a parete singola (SWCNT) o a parete multipla (MWCNT). Le loro proprietà sono straordinarie, tra cui un'eccezionale resistenza alla trazione (~100 GPa), un'elevata conduttività elettrica e un'elevata conduttività termica. Il loro comportamento elettronico (metallico o semiconduttore) dipende dalla loro chiralità, ovvero dall'angolo di avvolgimento del reticolo di grafene.

La relatività generale prevede che le masse in accelerazione generino increspature nel tessuto dello spaziotempo chiamate onde gravitazionali. Queste onde si propagano verso l'esterno alla velocità della luce, trasportando energia sotto forma di radiazione gravitazionale. Sono create da eventi cosmici catastrofici come la fusione di buchi neri o stelle di neutroni, che causano la dilatazione e la compressione dello spaziotempo al loro passaggio.