Una centrifuga per i nanocosi

Immagine al microscopio elettronico di un
campione di nanoparticelle di ossido di silicio
(Immagine American Elements)

Oggi ho passato gran parte della mia giornata lavorativa ad assistere ad una presentazione e ad una dimostrazione di un interessante strumento di misura in grado di determinare le dimensioni di una popolazione di nanoparticelle. Voi sapete che la caratteristica fondamentale dei nanocosi è che devono avere almeno una delle dimensione inferiore a 100 nanometri (vi ricordo che un nanometro è un miliardesimo di metro), quindi sapere quanto grande è una nanoparticelle è fondamentale per comprendere quanto buona e affidabile è la tecnica di sintesi con cui è stata generata.

Nonostante un miliardesimo di metro sia una grandezza talmente piccola da risultare difficile persino immaginarla, esistono un buon numero di tecniche sperimentali in grado di misurare queste dimensioni infinitesimali. Oggi, nei nostri laboratori, abbiamo accolto un team di esperti di una ditta esterna che ci proponevano l'acquisto del loro strumento basato sulla sedimentazione. Se volete vi vado a spiegare - come al solito con parole semplici - come funziona.

Cadere in un fluido

Alle lezioni di fisica delle superiori vi hanno insegnato che un corpo in caduta libera è soggetto ad un modo uniformemente accelerato, ovvero che la sua velocità continua ad aumentare sotto l'azione della forza di gravità. In realtà, questo è vero solo se ci si trova in completa assenza di attrito, ovvero senz'aria, altrimenti dopo un certo numero di metri, il corpo raggiunge una velocità limite perché l'attrito viscoso dell'aria bilancia perfettamente la forza di gravità.

I fisici usano per descrivere questa velocità limite la legge di Stokes che ci dice che la velocità terminale è direttamente proporzionale:

• alla differenza di densità tra l'oggetto che cade e il fluido che lo frena
• al quadrato della dimensione dell'oggetto che cade
• all'accelerazione di gravità

e inversamente proporzionale:

• alla viscosità del fluido.

Adesso probabilmente mi starete odiando, vi avevo promesso parole semplici e vi ritrovate proporzionalità diretta, inversa, formule e nomi strani. Vediamo di spiegarci con un esperimento mentale.

Prendete una bottiglia d'acqua, ovvero un fluido e prendete una manciata di biglie di vetro, quelle che utilizzavate per giocare quando eravate bambini. Ora fate cadere queste biglie nella bottiglia e misurate il tempo che impiegano ad arrivare sul fondo. Il secondo passo consiste nel prendere altre biglie, fatte dello stesso vetro quindi stessa densità, ma grandi esattamente la metà; vi domando: cosa vi dice l'intuito, queste nuove palline impiegheranno di più o di meno ad arrivare sul fondo rispetto alle sorelle maggiori? La risposta è di più, perché raggio più piccolo, significa velocità limite più bassa e quindi più tempo per percorrere la stessa strada.

Un immagine dello strumento che abbiamo
provato. Questo il datasheet.

Questo è esattamente il principio alla base del disco a centrifuga di cui ho assistito alla dimostrazione. Misura il tempo impiegato dalle nanoparticelle a cadere in un fluido ed associa ad un tempo un diametro. Come direbbero gli inglesi: as simple as that!

Aspettare che una particella grande qualche miliardesimo di metro cada fin sul fondo di due dita d'acqua potrebbe richiedere tempi biblici, così per accelerare la misura, la forza di gravità viene sostituita dalla forza centrifuga ottenuta in un disco rotante. Lo strumento che abbiamo utilizzato oggi è in grado di compiere 24 mila rotazioni complete al minuto producendo un'accelerazione pari a 29mila volte quella di gravità. Mica male vero?