Materiali ibridi organico-inorganici ottenuti con la tecnica sol-gel
Dott.ssa Giovanna Brusatin, Dott.ssa Gioia Della Giustina, Prof. Massimo Guglielmi, Prof. Plinio Innocenzi (Università di Sassari)

I materiali ibridi organico-inorganici possono essere considerati una nuova classe di materiali con proprietà intermedie tra quelle dei polimeri organici e degli ossidi vetrosi. Essi hanno cominciato ad essere studiati agli inizi degli anni ottanta, ma solo negli anni più recenti sono apparse in letteratura e in alcuni casi sul mercato le prime applicazioni quali: rivestimenti protettivi su materiali plastici, rivestimenti antiappannamento, barriere alla diffusione di gas, materiali per lenti a contatto, ecc.; è soprattutto nel campo dei dispositivi fotonici come guida d'onda che si è osservato un enorme sviluppo di studi che hanno confermato le potenzialità di questo materiale per le applicazioni fotoniche ed il suo possibile utilizzo in sistemi otticamente attivi con proprietà ottiche non-lineari.
I materiali ibridi organico-inorganici vengono preparati tramite una particolare sintesi chimica svolta bassa temperatura (non oltre 80 °C) detta processo sol-gel. I composti chimici precursori utilizzati sono gli alcossidi (metalli o metalli di transizione legati ad un gruppo alchilico attraverso un atomo di ossigeno, es. Si(OC2H5)4) che nel caso specifico contengono una modificazione organica (es. PhSi(OC2H5)3, Ph=fenile). Gli alcossidi metallici sono soggetti a reazioni di idrolisi e condensazione in condizioni basiche o acide al termine delle quali si ottioene un dispersione colloidale di aggregati polimerici di dimensioni inferiori al micron che può essere utilizzata per deporre rivestimenti su vari substrati (spessori da 0.01-100 mm) o pezzi massivi di dimensioni comunque contenute (dell'ordine di alcuni cm3). La combinazione di differenti alcossidi permette di ottenere diverse formulazioni del materiale finale le cui proprietà possono essere controllate, entro ampi limiti, in funzione dell'applicazione e delle proprietà richieste.
Tra le differenti tipologie di materiali ibridi, un importante sottogruppo è rappresentato da quei materiali che sono caratterizzati da un reticolo inorganico direttamente interconnesso con un reticolo polimerico organico.
La particolare procedura di sintesi che consente di ottenere un materiale denso a basse temperature, consente ad es. di rivestire substrati plastici o di "drogare" la matrice ibrida con molecole organiche funzionali aventi proprietà specifiche senza che esse si degradino termicamente (fig. 1); i materiali ibridi sono quindi materiali che possono essere impiegati in alternativa a matrici polimeriche rispetto alle quali possiedono spesso caratteristiche migliorate, quali elevata resistenze al graffio, migliore resistenza agli attacchi in ambienti corrosivi, più ampia versatilità di sintesi chimica, minore permeabilità ai gas, ecc.

Figura 1: Schema della microstruttura di un materiale ibrido organico-inorganico drogato con una molecola organica funzionale

Nel Laboratorio Materiali Ceramici e Vetri sono stati finora studiate e ottimizzate varie applicazioni tra cui le seguenti:

1) Materiali ibridi contenenti fullereni per applicazioni come limitatori ottici
In questo caso si sfruttano le proprietà ottiche non lineari del fullerene (fig. 2a) inglobato nel materiale ibrido con dispersione a livello molecolare, per costruire dispositivi di limitazione ottica aventi elevata soglia di danneggiamento laser. Il materiale risulta possedere un assorbimento paragonabile a quello di un occhiale da sole. Allo stesso tempo in caso di irraggiamento laser esso consente di proteggere dispositivi ottici o l'occhio stesso dal danneggiamento provocato da fasci laser di elevata densità di potenza, grazie all'aumento della capacità di assorbire determinata proprio dall'irraggiamento laser di elevata potenza.

Figura 2: molecola di fullerene (a), esempio di ciò che si osserva attraverso uno strato di materiale ibrido dello spessore di 1mm non drogato (b) o contenente il fullerene (c)

2) Materiali ibridi contenenti cromofori organici per materiali aventi proprietà ottiche non lineari del secondo ordine (in collaborazione con Università di Milano-Bicocca e Università di Roma Tor Vergata)

In questo caso il materiale ibrido è drogato con molecole organiche aventi proprietà ottiche non lineari (fig. 3a) che, dopo l'ottenimento di una matrice solida in cui esse sono inglobate, vengono sottoposte ad un processo di polarizzazione che ne determina l'orientazione e l'allineamento tra loro. Ciò consente di trasferire al materiale drogato proprietà non lineari macroscopiche tipiche della singola molecola, come ad es. la capacità di generare luce laser di frequenza doppia rispetto a quella con cui viene irradiato (fig. 3c).

Figura 3: cromoforo non lineare (a), matrice ibrida in cui è stato inglobato (b); schema del fenomeno della generazione della seconda armonica (c)