Molecular Self-Assembly in Biomaterials

I magneti in terre rare sono potenti magneti permanenti realizzati con leghe di elementi delle terre rare. Sviluppati negli anni '70 e '80, i tipi più comuni sono i magneti al neodimio (NdFeB) e i magneti al samario-cobalto (SmCo). Sono il tipo di magnete permanente più potente in assoluto, producendo campi magnetici significativamente più intensi rispetto ai magneti in ferrite o alnico, consentendo la miniaturizzazione e prestazioni migliori in molte tecnologie. Nota: il termine "elemento delle terre rare" è un termine improprio in ambito storico. Questi elementi non sono eccezionalmente rari nella crosta terrestre. Il cerio, il più abbondante, è il 25° elemento più abbondante, simile al rame. Persino la terra rara stabile meno abbondante, il lutezio, è quasi 200 volte più comune dell'oro. L'etichetta "raro" è nata perché erano difficili da separare.

Una batteria agli ioni di litio (Li-ion) è una batteria ricaricabile in cui gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo negativo (anodo) attraverso un elettrolita all'elettrodo positivo (catodo) durante la scarica, per poi tornare indietro durante la carica. Utilizza un composto di litio intercalato come materiale per il catodo e tipicamente grafite come anodo. L'elevata reattività del litio consente un'elevata densità energetica.

L'indice di bianco CIE è una formula standardizzata dalla Commissione Internazionale per l'Illuminazione per quantificare la percezione del bianco. Viene calcolato a partire dai valori tristimolo CIE (X, Y, Z) e dalle coordinate cromatiche (x, y) del campione e di un illuminante di riferimento. La formula principale è [latex]W_{CIE} = Y + 800(x_n - x) + 1700(y_n - y)[/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.

L'effetto Lotus descrive la proprietà autopulente delle foglie della pianta di loto. La sua superficie è ricoperta da microscopiche papille rivestite di cristalli di cera epicuticolare, che creano una superficie superidrofobica. Le gocce d'acqua si raccolgono con un elevato angolo di contatto ([latex]\theta > 150^{\circ}[/latex]) e un basso angolo di roll-off, raccogliendo le particelle di sporco mentre rotolano, pulendo così la foglia.

La chimica reticolare è il principio di progettazione dei MOF, che prevede l'assemblaggio di blocchi molecolari predeterminati (nodi metallici e linker organici) in strutture estese e ordinate con topologie prevedibili. Una dimostrazione chiave di questo principio è la sintesi di MOF isoreticolari, in cui la topologia di rete sottostante viene mantenuta mentre la dimensione dei pori viene sistematicamente espansa utilizzando linker organici progressivamente più lunghi.

Le leggi di scala dei MEMS descrivono come cambiano le forze fisiche e le proprietà quando le dimensioni del dispositivo si riducono alla microscala. A differenza del mondo macroscopico, dominato dalla gravità e dall'inerzia, i microdomini sono governati da forze superficiali come la tensione superficiale, la viscosità e le forze elettrostatiche. Per esempio, la forza dovuta alla gravità scala con il volume ([latex]L^3[/latex]), mentre la forza elettrostatica scala con l'area ([latex]L^2[/latex]), diventando relativamente più forte alle dimensioni più piccole.

I magneti al neodimio sono il tipo di magnete permanente più potente disponibile in commercio. Sono una lega ternaria di neodimio, ferro e boro, con formula stechiometrica Nd2Fe14B. La loro immensa forza magnetica deriva dall'elevata anisotropia magnetica e dalla magnetizzazione di saturazione del materiale, derivate dalla sua struttura cristallina tetragonale. Tuttavia, sono fragili, suscettibili alla corrosione e hanno una bassa temperatura di curie.

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.

Nel 1986, Georg Bednorz e K. Alex Müller scoprirono la superconduttività in un materiale ceramico, una perovskite cuprata a base di lantanio, a una temperatura critica di circa 35 K. Questa temperatura era significativamente superiore al record di circa 23 K registrato all'epoca dai superconduttori convenzionali e infranse la convinzione che la superconduttività fosse limitata a temperature molto più basse, inaugurando il campo della superconduttività ad alta temperatura.

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.

I Metal-Organic Framework (MOF) sono materiali porosi cristallini costituiti da nodi contenenti metallo (unità costruttive secondarie, SBU) e leganti organici, noti come linker. Questi componenti si autoassemblano in polimeri di coordinazione estesi, mono, bi o tridimensionali. La scelta del metallo e del linker determina la topologia, la dimensione dei pori e la funzionalità chimica del framework risultante, consentendo un elevato grado di adattabilità per applicazioni specifiche.

La sintesi solvotermica è il metodo più comune per produrre strutture metallo-organiche cristalline di alta qualità. Il processo prevede il riscaldamento di una soluzione di sale metallico e legante organico in un recipiente sigillato, come un'autoclave rivestita in Teflon. L'elevata temperatura e pressione facilitano la dissoluzione dei precursori e promuovono la cristallizzazione del prodotto MOF termodinamicamente stabile nell'arco di diverse ore o giorni.

Una caratteristica distintiva dei Metal-Organic Framework è la loro eccezionalmente elevata area superficiale interna e porosità. La struttura cristallina ordinata crea pori e canali ben definiti, che portano ad aree superficiali Brunauer–Emmett–Teller (BET) che possono superare i 7.000 m²/g. Questo valore supera di gran lunga quello dei materiali porosi tradizionali come zeoliti o carboni attivi, rendendo l'ampia superficie interna facilmente accessibile per l'adsorbimento molecolare.