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Attualità
85 - La Chimica e l'Industria -
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RICH
MAC
Magazine - Settembre 2003
C
om'è stato giustamente sottolineato
in un contributo apparso su questa
stessa rivista [1], per preparare una spe-
cialità chimica non è quasi mai sufficien-
te individuare la corretta composizione
della specialità, ossia la formulazione,
ma è necessario anche utilizzare le giu-
ste tecnologie per unire i componenti, in
modo che questi riescano ad esplicare la
loro funzione in modo ottimale. Nei casi
più "fortunati" (benzine, lubrificanti ecc.)
le difficoltà si limitano alla scelta degli
additivi ed al loro dosaggio. In queste si-
tuazioni il contributo che la scienza dei
colloidi può fornire è di tipo fondamental-
mente sintetico e predittivo: da una parte
sussiste la possibilità di preparare mole-
cole nuove sempre più "ad hoc" rispetto
al compito cui devono assolvere, dall'al-
tra c'è la necessità di conoscere a priori
le proprietà di una specialità, risparmian-
do così sia in termini di tempo sia di ri-
sorse sulla fase di "trial and error", che
ha invece costituito per anni (ed in parte
è ancora così) la fase più dispendiosa
del processo di formulazione.
Le problematiche industriali
Industria delle vernici
Nella maggior parte delle realtà, però, la
situazione è ben più complicata. Un ca-
so da questo punto di vista esemplifica-
tivo è rappresentato dal processo di for-
mulazione nell'industria delle vernici. La
necessità di ottenere prodotti sempre
più compatibili con l'ambiente e di se-
guire tempestivamente le innovazioni
nel campo delle metodologie d'applica-
zione e dei materiali su cui applicare le
vernici costringono infatti questo settore
a muoversi costantemente alla ricerca
di prodotti e tecniche competitive.
In questo contesto le conoscenze for-
mulative delle emulsioni sono indispen-
sabili ai fini della realizzazione del pro-
dotto desiderato [2]. Un esempio lam-
pante è la rapidità e l'efficienza con cui
le industrie americana ed anglosassone
hanno saputo realizzare vernici a sol-
vente acquoso, fattore che ha permesso
a tali industrie di acquisire la posizione
di leader a livello mondiale.
Un esempio, questo, che indica come il
contributo del mondo accademico non
debba limitarsi a "consulenze" sporadi-
che, ma debba essere inquadrato mag-
giormente nell'ambito di progetti comu-
ni. I riflessi che potrebbero avere sul
mondo dell'industria certe recenti pub-
blicazioni scientifiche sono infatti tutt'al-
tro che trascurabili: rimanendo nel cam-
po delle emulsioni, basti pensare a qua-
le impatto abbia avuto in passato l'intro-
duzione della polimerizzazione in mini-
emulsioni [3] in luogo di emulsioni con-
venzionali, e di quali siano le potenzia-
lità della polimerizzazione in microemul-
sioni [4]. Il discorso fatto per il settore
delle vernici può essere esteso a settori
altrettanto significativi, quali l'industria
degli adesivi, della detergenza e degli
inchiostri, solamente per citarne alcuni.
Un altro settore in cui le competenze di
formulazione risultano determinanti è si-
curamente quello dei materiali per l'edi-
lizia. In particolare l'industria del cemen-
to è attualmente uno dei pochi settori in
cui l'Italia è leader a livello mondiale,
grazie anche alla competitività delle for-
mulazioni utilizzate.
In questo senso crediamo che non sia-
no da considerare ininfluenti le collabo-
razioni in essere tra l'università e questo
settore industriale, anche alla luce dei
risultati ottenuti [5, 6].
di Piero Baglioni, Massimo Bonini
Il ruolo della scienza dei colloidi e delle
interfasi nelle tecniche di formulazione
P. Baglioni, M. Bonini, Dipartimento di Chimi-
ca e CSGI - Università di Firenze.
piero.baglioni@unifi.it
Immagine AFM (Atomic Force Microscopy) di una superficie ottenuta
mediante flame spraying di una sospensione colloidale di nanoparticelle.
La dimensione media dei nanocluster è di circa 50 nm
Per parlare del ruolo che potrebbe
avere, o forse sarebbe meglio dire
dovrebbe avere, la scienza dei
colloidi e delle interfasi nelle tecniche
di formulazione probabilmente non
sarebbe sufficiente un intero volume.
In questo contributo ci limiteremo
quindi a tracciare una sorta di
mappa molto generica che possa
aiutare il mondo accademico ad
intuire la vastità degli interessi
scientifici ed economici mossi da
questo settore ed il mondo
industriale a valutare quale possa
essere il contributo "dell'accademia"
nei processi di sviluppo e ricerca.
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Industria farmaceutica
In altri settori industriali che formalmente
non sono riconducibili all'industria chimi-
ca, ma in cui quest'ultima gioca un ruolo
determinante nel fornire gli additivi (indu-
stria della gomma, del tessile, della carta
o del cuoio), il contributo che il mondo
accademico può fornire è di fondamen-
tale importanza [7, 8]. In questo senso, il
caso dell'industria farmaceutica può es-
ser preso ad esempio.
Nel corso degli ultimi anni la farmaceuti-
ca sta sempre più attingendo dalla scien-
za dei colloidi. Allo stato attuale i sistemi
di Drug Delivery che vengono maggior-
mente sviluppati sono i liposomi ed i co-
siddetti Sedds (sistemi di drug delivery
auto emulsionanti), cioè sistemi tipica-
mente colloidali. In questa direzione, il
patrimonio di conoscenze che la scienza
dei colloidi può fornire all'industria è ve-
ramente notevole, sia in termini di siste-
mi la cui caratterizzazione è ben nota,
sia soprattutto di tecniche disponibili per
la preparazione e la caratterizzazione di
sistemi di nuova ideazione.
Il ruolo delle nanotecnologie
Fino ad ora abbiamo visto come la
scienza dei colloidi e delle superfici
"classica" possa avere un impatto deter-
minante nei processi e nelle tecniche di
formulazione. In realtà lo scenario scien-
tifico negli ultimi anni è completamente
cambiato e, anche se questo comincia
soltanto adesso a riflettersi sul panora-
ma industriale italiano, l'avvento delle
nanotecnologie inevitabilmente porterà
ad un cambiamento radicale anche dei
processi produttivi e formulativi. La pro-
duzione di qualunque materiale funzio-
nale prevede "classicamente" un approc-
cio di tipo top-down: partendo dalle ma-
terie prime, mediante opportune lavora-
zioni, vengono realizzati oggetti di forma,
dimensioni e comportamento voluto. Og-
gi invece abbiamo i mezzi per sintetizza-
re e controllare dispositivi di dimensioni
molecolari e per costruire sistemi supra-
molecolari organizzati. Questo significa
invertire il punto di vista e passare ad un
tipo di approccio bottom-up, cioè il tipico
approccio "nanotecnologico".
A livello industriale le nanotecnologie si
configurano quindi come una rivoluzione
in termini di tipologia dei prodotti e dei
metodi produttivi. Questo inevitabilmente
si rifletterà anche nei processi e nelle
tecniche formulative, andando a cambia-
re progressivamente lo scenario che ab-
biamo descritto. Traducendo il tutto in
termini monetari, in pratica le industrie
vincenti saranno quelle che controlleran-
no la tecnologia realizzativa di questi di-
spositivi. Inizialmente abbiamo parlato
dei lubrificanti come di un caso "fortuna-
to". In realtà in questo settore la possibi-
lità di preparare nanomateriali di compo-
sizione e dimensione desiderate [9] ha
aperto nuove prospettive: il contributo
che le nanotecnologie stanno fornendo
alla scienza ed all'industria della lubrifi-
cazione non si limita al tentativo di otti-
mizzare i processi produttivi per così dire
"convenzionali", ma si sta sempre più di-
mostrando come la chiave per il raggiun-
gimento di quelle capacità produttive che
sono, con sempre maggiore insistenza,
richieste dal livello tecnologico delle ap-
plicazioni di ultima generazione.
Non a caso il numero di pubblicazioni
scientifiche riguardanti la cosiddetta "na-
no-tribologia" è in continuo aumento. In
particolare, la sintesi di nanoparticelle
capaci di adsorbirsi sulle superfici da lu-
brificare e la successiva dispersione in
oli lubrificanti fa sì che si produca una
sorta di rivestimento "soffice" che è ca-
ratterizzato da una bassa stabilità nei
confronti degli stress di taglio, riducendo
così gli stress di contatto tra le due su-
perfici da lubrificare [10].
L'industria della lubrificazione non è però
l'unica in cui già si riflette lo sviluppo del-
le nanotecnologie. La capacità di produr-
re nanopolveri in quantità notevoli ed a
costi contenuti [11, 12] ha aperto nuove
prospettive anche all'industria dei cata-
lizzatori. I materiali convenzionali hanno
grani di dimensioni che spaziano dai mi-
cron ad alcuni millimetri, contenendo
quindi miliardi d'atomi ognuno; grani di
dimensioni nanometriche contengono in-
vece circa 900 atomi. Dal punto di vista
dello sviluppo superficiale, una particella
sferica con raggio di 1 micron ha una su-
perficie di due ordini di grandezza infe-
riore alla stessa quantità di materiale
suddiviso in sfere da 10 nm. Appare
quindi evidente come tutti quei settori in-
dustriali che trattano fenomeni che av-
vengono all'interfaccia, come appunto
quelli catalitici, siano destinati ad essere
investiti da questa rivoluzione. Nell'im-
magine proposta in apertura è riportata
una superficie nanostrutturata ottenuta
mediante flame spraying di una sospen-
sione colloidale di nanoparticelle; una
superficie di questo tipo possiede pro-
prietà catalitiche che non possono esse-
re raggiunte dai materiali tradizionali.
Conclusioni
Le applicazioni in cui l'industria delle for-
mulazioni dovrà adattarsi a questa nuova
realtà sono troppo numerose per essere
elencate in questo contributo; sarebbe pro-
babilmente più semplice individuare quelle
poche aree che non verranno influenzate.
È importante sottolineare che la corsa ver-
so la creazione di questa nuova industria è
in pieno svolgimento, come dimostrano gli
investimenti operati in questo settore dagli
Stati Uniti e dal Giappone. Alla luce di
quanto detto finora, appare evidente come
il contributo della scienza dei colloidi nei
confronti della chimica delle formulazioni è
destinato a crescere: da un lato deve infatti
essere in grado di interfacciarsi con l'indu-
stria nella soluzione delle problematiche
scientifiche, dall'altro deve anche in un
certo qual modo guidare l'industria in que-
sta delicata fase di transizione. Non c'è
dubbio, infatti, che le nazioni che sapranno
muoversi più rapidamente e con più con-
vinzione verso le nanotecnologie acquiste-
ranno una posizione di predominio indu-
striale. In questo senso la situazione attua-
le italiana non è certo tranquillizzante, so-
prattutto tenendo conto che un divario tec-
nologico in questa fase sarebbe irrecupe-
rabile una volta che le posizioni industriali
si fossero consolidate. Purtroppo l'industria
nazionale non sembra capire appieno la
portata del cambiamento in atto, a differen-
za invece di quanto avviene altrove.
Bibliografia
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82(7), 721.
[2]
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[3]
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[4]
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[5]
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[6]
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[7]
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[8]
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[9]
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dustria, 2002, 83(1), 43.
[10] E. Uhlmann et al., Journal of Ma-
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2002,
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[11] EP 1134302A1, 2000.
[12] M. Bonini et al., Journal of Physical
Chemistry B,
2002, 106, 6178.
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