Le nanoparticelle di biossido di titanio

E se le pareti dei monumenti si pulissero da sole?

nanoparticelle di biossido di titanio

La necessità di effettuare costantemente interventi conservativi sul patrimonio costruito al fine di preservarne l’integrità, induce i ricercatori di tutto il mondo a investire importanti risorse umane ed economiche per l’individuazione e la realizzazione di nuovi materiali con l’intento di incrementare l’efficacia e la durata dei trattamenti protettivi e di ripristino.


In tale ambito, negli ultimi anni, ha assunto sempre maggiore importanza lo studio dei “nanomateriali” o “materiali nanostrutturati”, ovvero di quei materiali caratterizzati da componenti strutturali con almeno una dimensione compresa tra 1 e 100 nm.

Tra questi, un ruolo di rilievo è sicuramente occupato dal biossido di titanio (TiO2) le cui proprietà chimico-fisiche permettono di ipotizzare applicazioni in svariati campi e hanno già consentito la realizzazione di diversi prodotti commerciali. I 900 pannelli di rivestimento di Palazzo Italia a EXPO 2015, ad esempio, sono stati recentemente realizzati utilizzando cemento fotocatalitico messo a punto da Italcementi.

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Un esempio è il Padiglione Italia – Expo

Le nanoparticelle di biossido di titanio quando esposte a radiazione UV/solare svolgono attività fotocatalitica, ovvero sono in grado di modificare la velocità di alcune reazioni chimiche. In presenza di luce, di umidità e dell’ossigeno contenuto nell’aria, si attiva un forte processo ossidativo in grado di decomporre svariate sostanze organiche e inorganiche.

Superfici trattate con TiO2 nanometrico, quindi, sarebbero in grado, attraverso il semplice irraggiamento solare, di degradare sia le sostanze organiche e i microrganismi depositatisi sulla superficie, sia gli inquinanti atmosferici (NOX, SOX, BTEX, …) che vengano a contatto con la stessa.

Per strutture di dimensioni nanometriche, le leggi della meccanica classica cominciano a perdere validità, a favore delle leggi quantistiche. Per di più le nanoparticelle hanno un rapporto superficie/volume molto elevato e la quantità di atomi che costituiscono la superficie non è più trascurabile nei confronti di quelli che si trovano “all’interno” della particella stessa.

E così, se le proprietà di un materiale solitamente non dipendono dalle sue dimensioni, ciò non è più necessariamente vero quando ci troviamo nel mondo dell’infinitamente piccolo.

Proprietà quali punto di fusione, fluorescenza, permeabilità magnetica, conducibilità elettrica e reattività chimica possono variare proprio in funzione delle dimensioni delle nanoparticelle.
nanoparticelle di biossido di titanioL’applicazione di film di biossido di titanio, consente, inoltre, in seguito a irraggiamento, di modificare le caratteristiche di bagnabilità delle superfici trattate rendendole superidrofile, motivo per cui l’acqua che si deposita sulla superficie trattata tende a formare, anziché delle gocce, un film sottile e continuo. Ciò contribuisce a incrementarne le proprietà autopulenti favorendo, nel contempo, anche il dilavamento delle molecole degradate derivanti dall’attività fotocatalitica.

nanoparticelle di biossido di titanio

Le sopracitate proprietà autopulenti, antimicrobiche e degradative di sostanze organiche e inquinanti atmosferici fanno, pertanto, del biossido di titanio nanostrutturato un materiale dalle notevoli potenzialità applicative nell’ambito dei trattamenti di pulizia e protezione delle superfici lapidee del patrimonio costruito diffuso e di interesse storico.

Gli studi effettuati sinora in tal senso sono indubbiamente incoraggianti, ma evidenziano tuttora problematiche non ancora risolte circa le difficoltà di ancoraggio delle nanoparticelle al substrato lapideo e la superidrofilicità indotta dal TiO2, che potrebbe favorire la penetrazione di acqua all’interno dei materiali lapidei, specie di quelli particolarmente idrofili. Ricordiamo, infatti, che l’acqua è la principale causa, diretta o indiretta, del degrado dei materiali lapidei, in particolare di quelli porosi.

nanoparticelle di biossido di titanio

Tra le attività per la conservazione del patrimonio storico-architettonico ed archeologico portate avanti all’interno dei laboratori dell’IBAM di Lecce dal gruppo di ricerca coordinato dalla Dott.ssa Angela Calia, un filone di ricerca è dedicato, da diversi anni, allo studio e alle applicazioni del biossido di titanio.

Tale ambito è stato recentemente implementato da attività volte alla individuazione e messa a punto di formulazioni multicomponente, ottenute accoppiando nanoparticelle di TiO2 a specifici materiali polimerici idrorepellenti e tradizionalmente utilizzati per il trattamento protettivo di materiali lapidei. Questa strategia metodologica potrebbe permettere di massimizzare le proprietà delle singole componenti, minimizzando, al contempo, gli aspetti indesiderati di ciascuna.

In aggiunta, l’inglobamento delle nanoparticelle all’interno della matrice polimerica, potrebbe aumentare la loro ritenzione sulla superficie, prevenendo, quindi, il possibile rilascio delle stesse nell’ambiente circostante.

nanoparticelle di biossido di titanio

Gli incoraggianti risultati dello studio da noi condotto e recentemente pubblicato su Construction and Building Materials, hanno indicato come il film protettivo ottenuto mediante l’applicazione di una miscela sperimentale sulla superficie di una pietra calcarea compatta, presenti significative proprietà autopulenti. Ciò è evidenziato dall’elevata efficienza di degradazione (>90%) rilevata nei test di fotodegradazione accelerata: dopo solo 7 ore di irraggiamento la superficie trattata con la miscela sperimentale e “sporcata” con un colorante appare pressoché pulita dimostrando come le proprietà fotocatalitiche delle nanoparticelle di biossido di titanio rimangano inalterate anche se inglobate all’interno della matrice polimerica.

Nel contempo abbiamo appurato che, nelle opportune quantità, le nanoparticelle di TiO2 non influenzano le proprietà del polimero nei confronti dell’acqua. In particolare risulta pressoché invariata:

  • l’idrofobicità del film polimerico;
  • l’entità dell’effetto barriera che si oppone alla penetrazione dell’acqua per capillarità dall’esterno verso l’interno del materiale lapideo;
  • la permeabilità del vapore acqueo dall’interno verso l’esterno del materiale lapideo.

Infine, il film protettivo polimero/TiO2 risulta totalmente compatibile con la preservazione delle caratteristiche cromatiche delle superfici trattate, in quanto le variazioni di colore indotte dall’applicazione del trattamento sono inferiori alla soglia di percezione dell’occhio umano. In verità, l’aggiunta delle nanoparticelle di biossido di titanio ha ulteriormente migliorato le proprietà cromatiche del solo polimero.

Pensiamo che i risultati finora ottenuti, sebbene preliminari, possano contribuire allo sviluppo di nuovi protettivi multifunzionali da utilizzare su larga scala per la conservazione del patrimonio costruito mondiale.

Il nostro impegno è quello di riuscire a far sì che ciò accada nel più breve tempo possibile.

A cura di Donato Colangiuli, ricercatore presso la sede IBAM CNR di Lecce.

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