Materiali per applicazioni biomedicali Flashcards
CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI
metalli, ceramici, polimeri sintetici, polimeri naturali, materiali compositi.
PROPRIETA’ DEI MATERIALI
meccaniche, elettriche, termiche, magnetiche, ottiche, altre…
Dipendono anche dalla strutture del materiale: atomica, cristallina, microstruttura, macrostruttura.
LEGAMI CHIMICI
possiamo distinguere legami chimici primari (ionico, covalente e metallico) e legami chimici secondari (forza di Van der Waals e legame a idrogeno)
LEGAME COVALENTE
legame che si forma quando gli atomi condividono almeno una coppia di elettroni. E’ un legame direzionale, tipico dei polimeri, ossia ha una direzione preferenziale: se lo rompo (es. applicando energia sotto forma di calore) non sono più in grado di ricostituirlo.
Proprietà: forte, non solubile in acqua.
Esempio: O2, CH4
LEGAME IONICO
si forma tra due elementi che hanno tra di loro potenziale elettronegativo molto diverso in modo tale che si formano uno ione positivo e uno negativo. Non è direzionale.
Proprietà: elettricamente neutro, alta temperatura di fusione
Esempio: NaCl
LEGAME METALLICO
si forma tra elementi di tipo metallico disposti in un reticolo cristallino circondato da elettroni delocalizzati. Non è direzionale, tipico dei metalli.
Proprietà: alto potere conduttivo elettrico e termico, alta temperatura di fusione.
Esempio: FeC
FORZA DI VAN DER WAALS
formati da forze attrattive o repulsive (elettrostatiche) a corto raggio tra atomi e molecole. Differiscono dal covalente e ionico in quanto sono causate da correlazioni nelle polarizzazioni fluttuanti delle particelle vicine.
Proprietà: influenzano le proprietà fisiche.
Esempio: CH3Cl
LEGAME A IDROGENO
parziale forza elettrostatica di attrazione tra un atomo di idrogeno, che è legato a un atomo/gruppo più elettronegativo come N, O o F (donatore del legame a idrogeno) e un atomo adiacente avente una coppia di elettroni spaiati (accettore del legame a idrogeno).
Proprietà: legame relativamente forte che influenza le proprietà fisiche.
Esempio: H2O
SOLIDI CRISTALLINI
in base ai diversi tipi di legami posso avere strutture solide cristalline diverse:
- MONOCRISTALLINO
Proprietà: anisotropia, le proprietà sono diverse a seconda della direzione; specifica temperatura di fusione; forma ben definita.
Esempio: diamante.
- POLICRISTALLINO - unione di monocristallini
Proprietà: isotropia, le proprietà sono uguali in tutte le direzioni; temperatura di fusione che varia in base alla forma (dei legami interni).
Esempio: FeC.
- AMORFO - non ha una forma ben definita, struttura non cristallina
Proprietà: isotropia; proprietà fisiche dipendono dalla temperatura del materiale.
Esempio: SiO2
SISTEMI CRISTALLOGRAFICI
vi sono 7 famiglie, 14 forme. Ci permettono di capire leproprietà dei materiali.
- cubico – a = b = c – alpha = beta = gamma = 90°
- tetragonale – a = b <> c – alpha = beta = gamma = 90°
- ortorombico – a <> b <> c – alpha = beta = gamma = 90°
- romboedrico – a = b = c – alpha = beta = gamma <> 90°
- esagonale – a = b <> c – alpha = beta = 90°, gamma = 120°
- monoclino – a <> b <> c – alpha = beta = 90° <> gamma
- triclino – a <> b <> c – alpha <> beta <> gamma <> 90°
RETICOLO DI BRAVAIS
può essere descritto tramite una struttura in 3D. la sue geometria è ripetuta in maniera uguale nelle 3 direzioni e vengono mantenute le proprietà.
CELLA ELEMENTARE (o UNITARIA): struttura geometrica 3D che viene ripetuta periodicamente in ogni direzione. Possiamo descrivere l’intera struttura in termini della cella elementare.
E’ caratterizzata da lunghezze a, b, c; angoli alpha, beta. gamma.
Alcune definzioni:
- NUMERO DI COORDINAZIONE Nc: numero di atomi connessi a ogni atomo;
- NUMERO DI ATOMI PER CELLA Ac: atomi (numero intero) in una singola cella elementare;
- FATTORE DI IMPACCHETTAMENTO Fi: rapporto tra il volume occupato dagli atomi e il volume della cella elementare. Fi = (Ac * Va)/Vc.
Ci da indicazioni delle proprietà meccaniche: più è alto più sono buone le proprietà meccaniche.
SISTEMA CUBICO SEMPLICE, SC
Nc = 6
Ac = 1
Fi = (Ac * Va)/Vc = (Ac * volume atomo, ossia sfera)/volume cubo = 0.52
STRUTTURA CUBICA A CORPO CENTRATO, BCC
Nc = 8
Ac = 2
Fi = 0.68
STRUTTURA CUBICA A FACCE CENTRATE, FCC
Nc = 12
Ac = 4
Fi = 0.74
STRUTTURA CRISTALLINA DEI SOLIDI IONICI
caratteristiche:
1. la forma e dimensione dipendono dalle dimensioni degli anioni e cationi;
2. la struttura non deve mai modificarsi dal punto di vista della neutralità elettrica.
Esempio: NaCl. Struttura portante fatta da ione cloro (anione) a FCC. Quando si lega a ione sodio (catione), esso va a legarsi fra gli atomi di cloro
Cambiano le proprietà del materiale (quando si forma il sale); queste vengono descritte dal RAGGIO CRITICO R = Rcatione/Ranione
Questo varia a seconda della struttura, ma 0 < R < 1. Il suo valore ci dice quanto è performante la struttura del materiale dal punto di vista di proprietà meccaniche, ottiche, etc. Più R è vicino a 1, più la struttura è ottimizzata.
Proprietà: fragile, duro, no conduttori elettrici, alta solubilità in acqua, alta temperatura di fusione.
DENSITA’ DI UNA SOSTANZA CALCOLATA DAI DATI DELLA CELLA UNITARIA
la densità ideale di una generica cella unitaria di un solido cristallino è:
D = Z * (FWT/Na) * (1/V)
- D: densità espressa in [g/cm^3]
- Z: numero di atomi/molecole per cella unitaria
- FWT: formula del peso dell’atomo/molecola in [g]
- Na: numero di Avogadro = 6.023 * 10 ^ 23
- V: volume della cella unitaria in [cm^3]
INDICE DI MILLER
sistema di notazione per definire i piani del reticolo di Bravais. Una famiglia di piani è determinata da 3 interi: h, k, l, ossia gli indici di Miller.
In base a come i piani attraversano il reticolo, essi influenzano le sue proprietà ottiche, la reattività, la tensione superficiale e la dislocazione.
Per capire gli indici di Miller devo capire a cosa è ortogonale il reticolo attraversato dal piano.
DIFETTI DELLA STRUTTURA CRISTALLINA
le strutture cristalline hanno dei difetti che influenzano le proprietà meccaniche, elettriche e ottiche.
1) DIFETTI PUNTUALI [1D]
- lacuna: assenza di un atomo in un punto del reticolo; le proprietà meccaniche diminuiscono, più facile la rottura;
- impurità interstiziale: un elemento dall’esterno si inserisce nella struttura tra gli atomi;
- impurità per sostituzione: un elemento dall’esterno sostituisce un atomo della struttura;
- impurità per sostituzione
- difetto di Frankel
2) DIFETTI DI LINEA - ripetersi periodico nelle tre direzioni delle celle
- dislocazione a vite
- dislocazione a bordi
3) DIFETTI DI SUPERFICIE [2D] - materiali multicristallini. Abbiamo un difetto al contorno: i singoli grani vanno in direzioni diverse nelle celle unitarie
4) DIFETTI DI VOLUME [3D]
POLIMORFISMO
abilità del materiale solido di esistere in più di una forma o struttura cristallina.
ALLOTROPIA
proprietà di alcuni elementi chimici di esistere in due o più forme diverse, nello stesso stato fisico, noti come allotropi degli elementi.
ISOMORFISMO
materiali diversi che sono molto simili a livello della struttura cristallina.
