TAVOLA DI MOVIMENTAZIONE LASER A CONTROLLO NUMERICO:

IIa)Tavola di movimentazione modello OF1612 (CUTLITE PENTA S.r.L., Calenzano, FI, Italia), con assi ortogonali X-Y, a guide di scorrimento a ricircolo di sfere di alta precisione. Viti per il comando degli spostamenti sugli assi con il recupero automatico dei giochi e con azionamento dei motori in corrente continua. - Tolleranza di taglio +-0.1mm/m - Piano di supporto porta materiali da taglio, con appropriati appoggi regolabili - Dimensioni utili di taglio 1650x1250mm; IIb) Controllo numerico per l'interpolazione lineare e circolare. Il controllo è dotato di memoria di massa, floppy disk da 3.5", 1.44Mbytes, MS.DOS e con selezione della posizione della testa di focalizzazione; IIc) Software accessorio al sistema.

Applicazioni medicali

In chirurgia è possibile utilizzare il laser come bisturi selettivo e ad alta precisione.

Infatti, oltre alle dimensioni assai ridotte dello spot, dato che cellule diverse assorbono in maniera differente diverse lunghezze d'onda è possibile operare selettivamente su alcune cellule, lasciando intatte o quasi quelle circostanti. I laser più usati per queste applicazioni sono il laser ad argon con la riga a l = 488 nm, assorbito selettivamente dalle cellule del sangue ed utilizzato per curare il distacco della retina: viene infatti focalizzato sulla retina e passa attraverso il cristallino ed il corpo vitreo senza essere assorbito, mentre la retina, essendo vascolarizzata assorbe la radiazione e per effetto termico si produce una saldatura. Inoltre il laser ad argon penetra nella pelle e può essere usato per coagulare il sangue negli strati più interni. Per contro il laser a CO2 (l=

10.6 mm) viene assorbito dalla pelle ed in generale da tutti i tessuti che contengono acqua; viene quindi usato come bisturi, con il vantaggio che mentre taglia produce la cauterizzazione dei tessuti, evitando la perdita di sangue. Notiamo che questo laser emette nell'infrarosso, per cui, per poterlo orientare, si usa un laser nel visibile di bassa potenza che viaggia nella stessa guida di luce. Proprio la possibilità di far viaggiare la radiazione del laser in fibra ottica rappresenta un altro vantaggio:è possibile utilizzare un laser anche "all'interno" del paziente, semplicemente operando con una sonda, una fibra ottica collegata al laser ed una collegata ad una telecamera. In questo modo si può evitare di "aprire" il paziente o addirittura si possono eseguire operazioni altrimen-ti impensabili (come la rimozione delle masse tumorali all'interno dei bronchi).

1.1 Sintesi e caratterizzazione di cluster e nanostrutture con processi assistiti da plasma La sintesi di materiali e dispositivi basati su strutture nanometriche rappresenta un obiettivo strategico di primario interesse per la scienza e la tecnologia dei materiali. Se da un lato la realizzazione di dispositivi di dimensioni nanoscopiche costituisce la natu-rale e necessaria evoluzione nel campo della microelettronica, della sensoristica e della registrazione magnetica, dall’altro la creazione di nuovi materiali a partire da precurso-ri su scala nanometprecurso-rica sta aprendo nuove prospettive per applicazioni industprecurso-riali, bio-mediche ed ambientali.

Di particolare interesse per la microelettronica, l’ottica e la micromeccanica é quella

classe di oggetti denominata cluster costituita da aggregati atomici con un numero di componenti che va da qualche decina di atomi fino a qualche migliaio. Oggetti di que-ste dimensioni presentano proprietà fisico-chimiche del tutto peculiari dovute alla coe-sistenza di effetti classici e quantistici. Un elenco delle applicazioni e degli sviluppi insiti nei nanomateriali richiederebbe uno spazio molto ampio, ci limiteremo ad elencare alcuni degli esempi più significativi:

Proprietà elettroniche: Gli effetti di confinamento degli elettroni di valenza conferisco-no ai naconferisco-no aggregati inusuali caratteristiche ottiche lineari e conferisco-non lineari che li rendoconferisco-no canditati ideali per lo sviluppo di componenti opto elettronici, emettitori di luce, mate-riali fotosensibili non-lineari, interruttori ottici, fibre ottiche.

1.2 Proprietà magnetiche: Sistemi metallici con granulometria iperfine esibiscono una elevatissima magnetoresistenza; ciò li rende interessanti per l’industria della registrazio-ne magregistrazio-netica

Catalisi: Nano particelle di semiconduttori, metalli ed ossidi possono essere utilizzati per la realizzazione di catalizzatori, ceramiche e materiali compositi.

1.3 Nano aggregati di carbonio

Vastissimo interesse hanno suscitato i cluster di carbonio basati su strutture chiuse tri-dimensionali indicati come fullereni (il capostipite di questa classe di aggregati é l’ormai famoso C60). Essi costituiscono una forma allotropica del carbonio diversa da grafite e diamante con proprietà elettroniche e strutturali che li rendono particolarmen-te inparticolarmen-teressanti per una vastissima gamma di applicazioni. I fullereni sono i prototipi di una classe di nano strutture basate su singoli fogli grafitici dette nano tubi o tubuleni.

Tali strutture sono l’equivalente su scala nanoscopica delle fibre di carbonio. Tra le applicazioni citeremo solo l’uso dei fullereni per la fabbricazione di batterie a stato soli-do e superconduttori ad alta temperatura, e dei nano tubi come elementi per la realiz-zazione di conduttori uni dimensionali, punte per microscopi a effetto tunnel, nano antenne.

Un altro elemento di interesse é l’uso dei fullereni come precursori di nuovi materiali a base di carbonio e di film diamond-like. Recentemente é stato inoltre dimostrato come fullereni possano essere usati per la carburizzazione di nano strutture e la creazione di micro componenti di Carburo di Silicio (SiC) integrati su chip preesistenti.

Le tematiche di ricerca dipendono dal fatto che i meccanismi responsabili della forma-zione di nano aggregati sono tuttora poco compresi. Ciò rappresenta una severa limita-zione allo sviluppo di tecnologie e materiali basati su tal sistemi. La maggior parte delle tecniche usate per la produzione di cluster fa ricorso alla produzione di un plasma dai materiali di cui si vogliono produrre gli aggregati; la termalizzazione e la condensazio-ne delle particelle viecondensazio-ne poi indotta con diversi sistemi (espansiocondensazio-ne adiabatica, mescola-mento con un gas di buffer, etc.). Diventa quindi di primaria importanza essere in grado di controllare le condizioni del plasma di partenza, caratterizzarne le condizioni e mettere in relazione tali condizioni con i prodotti finali. Le tecniche più utilizzate per la produzione di plasmi precursori di cluster sono la vaporizzazione laser, in cui il materiale di interesse viene irraggiato con impulsi laser di alta potenza, o la creazione di un arco tra due elettrodi del materiale di cui si vogliono produrre gli aggregati.

Nelle moderne tecnologie di fabbricazione di film inorganici sottili e nano strutture, l’attivazione delle molecole, oltre che per via termica, può anche essere effettuata mediante plasmi debolmente ionizzati; tale procedimento prende il nome di deposizione chimica in fase di vapore assistita dal plasma (PACVD). Usualmente la scarica viene prodotta utilizzando linee di trasmissione a radiofrequenza o microonde terminate con opportuni sistemi dì antenne. La PACVD costituisce una metodologia per la

produzio-ne di un elevato numero di materiali, quali il nitruro e l’ossido di silicio, che vengono usati come indurenti o isolanti. Tali materiali possono essere prodotti sia come-film-sottili-che-come-aggregati.

Materiali a base di carbonio di grande interesse industriale possono essere sintetizzati a partire da un plasma di tipo “glow dicharge” attraverso la frammentazione di idrocar-buri a basso peso molecolare come il metano, e l’acetilene. Anche la produzione di dimeri C2 dalla frammentazione di C50 con la formazione di film di diamanti può esse-re condotta e controllata in un plasma di Ar/H2/C60 .

1.3-Processi-metallurgici

Nel campo dei materiali metallici sono stati prodotti materiali finalizzati ad usi precisi e specifici che per le loro caratteristiche, ad es. di resistenza meccanica ad elevata tempe-ratura, di resistenza alla corrosione, del loro comportamento funzionale in determinati campi ben definiti, hanno raggiunto prestazioni di tutto rispetto. Peraltro, molto spesso si verifica il fatto che, ad un alto valore tecnologico del bulk dei materiali non corri-sponda un analogo favorevole comportamento rispetto all’interfaccia con l’esterno come ad esempio:

• la resistenza meccanica dei materiali per applicazioni ad elevata temperatura non può essere sfruttata appieno a motivo della scarsa compatibilità con le condizioni esterne.

• alcune applicazioni biomediche non possono essere fatte in quanto il contenuto di certi elementi presenti nei materiali non è tollerabile per particolari tipi di protesi.

• la resistenza meccanica di molti materiali, necessaria per applicazioni in ambiente fortemente aggressivo, non permette il loro impiego a motivo del comportamento chimico nei confronti dell’ambiente circostante.

Anche in questo caso va evidenziato il nuovissimo campo delle nanoparticelle e delle nanofasi prodotte con tecnologia al plasma; materiali prodotti da queste basi avrebbe-ro uno sviluppo incredibile se fosse possibile una loavrebbe-ro pavrebbe-roduzione economicamente valida. Ad esempio:

Realizzazione di “coating” antiusura: Le possibili applicazioni spaziano dai componen-ti meccanici alle protesi biomedicali. La deposizione di stracomponen-ti ad elevata durezza, e in alcuni casi con basso attrito, è ideale per particolari applicazioni in cui 1’usura di parti meccaniche è critica.

Realizzazione di coating compatibili con l’ambiente esterno: Deposizioni di materiali refrattari su metalli possono far crescere la vita dei componenti metallici a valori impensabili per i componenti in se stessi. Alcuni tipi di rivestimenti conferiscono al materiale la proprietà di renderlo compatibile con determinati ambienti; ad esempio:

certe protesi in leghe NiTi a memoria di forma non possono essere applicate in quanto il contenuto di nichel viene giudicato pericoloso per la salute; un rivestimento opportu-namente studiato potrebbe ovviare a tale inconveniente.

Realizzazione di componenti meccanici: Il plasma può essere impiegato per la produ-zione di nanoparticelle per la produprodu-zione industriale di strutture meccaniche mediante il semplice processo di formatura di polveri nanometriche seza dover ricorrere al dop-pio processo di sinterizzazione e coniatura. Anche nel caso di materiali ceramici o refrattari la loro sintesi, condotta in plasmi termici, è una tecnologia emergente per la produzione di polveri ultra fini e ultra pure per i processi di sinterizzazione in assenza di pressione. In particolare le tecniche di produzione di polveri fini e di sinterizzazione

senza pressione di ceramiche iperpure potranno generare rilevanti progressi nella pro-duzione dei nuovi materiali superconduttori ad alta temperatura.

Le necessità più urgenti risiedono nello sviluppo, nell’analisi, negli apparati diagnostici e nella progettazione di un semplice reattore adatto per la sintesi di polveri fini refratta-rie di carburi, nitruri e ossidi metallici. La novità dei metodi, in parecchi casi, non ha ancora permesso di conoscere i limiti di tali tecnologie, ma si può affermare che ci si aspetta una nuova classe di materiali con caratteristiche eccezionali, impossibili da pro-durre attualmente.

Materiali-organici

Il plasma offre anche nuove opportunità per la sintesi di materiali impossibili da pro-durre in reattori chimici convenzionali e che possono, invece, essere sintetizzati in un unico passaggio e deposti già nella forma di utilizzo finale eliminando, in tal modo, diversi passaggi successivi di trattamento.

Un esempio di quanto esposto è rappresentato dalla polimerizzazione in ambiente di plasma. Infatti, in particolari condizioni, molecole monomeriche introdotte in un pla-sma possono polimerizzare con la produzione di polimeri che hanno caratteristiche non producibili nei convenzionali processi di polimerizzazione. Tale tipo di polimerizzazio-ne può produrre sostanze in forma di film sottili molto utili in applicazioni quali il coa-ting di altri materiali, la costruzione di multistrati per i nastri da registrazione etc.

Nell’area biomedica, tale tecnica permetterà un ulteriore progresso nella ricopertura, con polimeri biocompatibili, di protesi , di parti impiantabili e di diagnostiche medicali.

Le diagnostiche per tali tipi di plasma consistono nella spettroscopia di emissione, nell’anemometria laser-Doppler, nella spettroscopia di fluorescenza indotta da laser e nella fotografia ad alta velocità. Le polveri refrattarie possono essere analizzate usando microscopia elettronica, diffrazione a raggi X, BET, e spettroscopia Auger.

Dovrebbe essere, inoltre, sviluppata una modellistica per l’arco plasma, per il plasma-jet così come per i reattori a plasma a radiofrequenza; un’altra parte di modelli andreb-be sviluppata relativamente all’iniezione di particelle, al loro moto, riscaldamento, fusione e loro evaporazione nel plasma tenendo conto delle possibili reazioni chimiche, del brusco raffreddamento (quenching) e della formazione di prodotti finali.

Applicazioni in Oculistica

Sintesi e caratterizzazione di cluster e nanostrutture con processi assistiti da plasma La sintesi di materiali e dispositivi basati su strutture nanometriche rappresenta un obiettivo strategico di primario interesse per la scienza e la tecnologia dei materiali. Se da un lato la realizzazione di dispositivi di dimensioni nanoscopiche costituisce la natu-rale e necessaria evoluzione nel campo della microelettronica, della sensoristica e della registrazione magnetica, dall’altro la creazione di nuovi materiali a partire da precurso-ri su scala nanometprecurso-rica sta aprendo nuove prospettive per applicazioni industprecurso-riali, bio-mediche ed-ambientali.

Di particolare interesse per la microelettronica, l’ottica e la micromeccanica é quella classe di oggetti denominata cluster costituita da aggregati atomici con un numero di componenti che va da qualche decina di atomi fino a qualche migliaio. Oggetti di que-ste dimensioni presentano proprietà fisico-chimiche del tutto peculiari dovute alla

coe-sistenza di effetti classici e quantistici. Un elenco delle applicazioni e degli sviluppi insiti nei nanomateriali richiederebbe uno spazio molto ampio, ci limiteremo ad elencare alcuni degli esempi più significativi:

Proprietà elettroniche: Gli effetti di confinamento degli elettroni di valenza conferisco-no ai naconferisco-no aggregati inusuali caratteristiche ottiche lineari e conferisco-non lineari che li rendoconferisco-no canditati ideali per lo sviluppo di componenti opto elettronici, emettitori di luce, mate-riali fotosensibili non-lineari, interruttori ottici, fibre ottiche.

Proprietà magnetiche: Sistemi metallici con granulometria iperfine esibiscono una ele-vatissima magnetoresistenza; ciò li rende interessanti per l’industria della registrazione magnetica

Catalisi: Nano particelle di semiconduttori, metalli ed ossidi possono essere utilizzati per la realizzazione di catalizzatori, ceramiche-e-materiali-compositi.

Nanoagregati di carbonio:

molto interesse hanno suscitato i cluster di carbonio basati su strutture chiuse tridimen-sionali indicati come fullereni (il capostipite di questa classe di aggregati é l’ormai famoso C60). Essi costituiscono una forma allotropica del carbonio diversa da grafite e diamante con proprietà elettroniche e strutturali che li rendono particolarmente inte-ressanti per una vastissima gamma di applicazioni. I fullereni sono i prototipi di una classe di nano strutture basate su singoli fogli grafitici dette nano tubi o tubuleni. Tali strutture sono l’equivalente su scala nanoscopica delle fibre di carbonio. Tra le applica-zioni citeremo solo l’uso dei fullereni per la fabbricazione di batterie a stato solido e superconduttori ad alta temperatura, e dei nano tubi come elementi per la realizzazione di conduttori uni dimensionali, punte per microscopi a effetto tunnel, nano antenne.

Un altro elemento di interesse é l’uso dei fullereni come precursori di nuovi materiali a base di carbonio e di film diamond-like. Recentemente é stato inoltre dimostrato come fullereni possano essere usati per la carburizzazione di nano strutture e la creazione di micro componenti di Carburo di Silicio (SiC) integrati su chip preesistenti.

Le tematiche di ricerca dipendono dal fatto che i meccanismi responsabili della forma-zione di nano aggregati sono tuttora poco compresi. Ciò rappresenta una severa limita-zione allo sviluppo di tecnologie e materiali basati su tal sistemi. La maggior parte delle tecniche usate per la produzione di cluster fa ricorso alla produzione di un plasma dai materiali di cui si vogliono produrre gli aggregati; la termalizzazione e la condensazio-ne delle particelle viecondensazio-ne poi indotta con diversi sistemi (espansiocondensazio-ne adiabatica, mescola-mento con un gas di buffer, etc.). Diventa quindi di primaria importanza essere in grado di controllare le condizioni del plasma di partenza, caratterizzarne le condizioni e mettere in relazione tali condizioni con i prodotti finali. Le tecniche più utilizzate per la produzione di plasmi precursori di cluster sono la vaporizzazione laser, in cui il materiale di interesse viene irraggiato con impulsi laser di alta potenza, o la creazione di un arco tra due elettrodi del materiale di cui si vogliono produrre gli aggregati.

Nelle moderne tecnologie di fabbricazione di film inorganici sottili e nano strutture, l’atti-vazione delle molecole, oltre che per via termica, può anche essere effettuata mediante plasmi debolmente ionizzati; tale procedimento prende il nome di deposizione chimica in fase di vapore assistita dal plasma (PACVD). Usualmente la scarica viene prodotta utiliz-zando linee di trasmissione a radiofrequenza o microonde terminate con opportuni siste-mi dì antenne. La PACVD costituisce una metodologia per la produzione di un elevato numero di materiali, quali il nitruro e l’ossido di silicio, che vengono usati come indurenti o isolanti. Tali materiali possono essere prodotti sia come film sottili che come aggregati.

Materiali a base di carbonio di grande interesse industriale possono essere sintetizzati a partire da un plasma di tipo “glow dicharge” attraverso la frammentazione di idrocar-buri a basso peso molecolare come il metano, e l’acetilene.

Anche la produzione di dimeri C2 dalla frammentazione di C50 con la formazione di film di diamanti può essere condotta

controllata in un plasma di Ar/H2/C60.

Processi-metallurgici

Nel campo dei materiali metallici sono stati prodotti materiali finalizzati ad usi precisi e specifici che per le loro caratteristiche, ad es. di resistenza meccanica ad elevata temperatu-ra, di resistenza alla corrosione, del loro comportamento funzionale in determinati campi ben definiti, hanno raggiunto prestazioni di tutto rispetto. Peraltro, molto spesso si verifi-ca il fatto che, ad un alto valore tecnologico del bulk dei materiali non corrisponda un analogo favorevole comportamento rispetto all’interfaccia con l’esterno come ad esempio:

• la resistenza meccanica dei materiali per applicazioni ad elevata temperatura non può essere sfruttata appieno a motivo della scarsa compatibilità con le condizioni esterne.

• alcune applicazioni biomediche non possono essere fatte in quanto il contenuto di certi elementi presenti nei materiali non è tollerabile per particolari tipi di protesi.

• la resistenza meccanica di molti materiali, necessaria per applicazioni in ambiente fortemente aggressivo, non permette il loro impiego a motivo del comportamento chimico nei confronti dell’ambiente circostante.

Anche in questo caso va evidenziato il nuovissimo campo delle nanoparticelle e delle nanofasi prodotte con tecnologia al plasma; materiali prodotti da queste basi avrebbe-ro uno sviluppo incredibile se fosse possibile una loavrebbe-ro pavrebbe-roduzione economicamente valida. Ad esempio:

Realizzazione di “coating” antiusura: Le possibili applicazioni spaziano dai componen-ti meccanici alle protesi biomedicali. La deposizione di stracomponen-ti ad elevata durezza, e in alcuni casi con basso attrito, è ideale per particolari applicazioni in cui 1’usura di parti meccaniche è critica.

Realizzazione di coating compatibili con l’ambiente esterno: Deposizioni di materiali refrattari su metalli possono far crescere la vita dei componenti metallici a valori impensabili per i componenti in se stessi. Alcuni tipi di rivestimenti conferiscono al materiale la proprietà di renderlo compatibile con determinati ambienti; ad esempio:

certe protesi in leghe NiTi a memoria di forma non possono essere applicate in quanto il contenuto di nichel viene giudicato pericoloso per la salute; un rivestimento opportu-namente studiato potrebbe ovviare a tale inconveniente.

Realizzazione di componenti meccanici: Il plasma può essere impiegato per la produ-zione di nanoparticelle per la produprodu-zione industriale di strutture meccaniche mediante il semplice processo di formatura di polveri nanometriche seza dover ricorrere al dop-pio processo di sinterizzazione e coniatura. Anche nel caso di materiali ceramici o refrattari la loro sintesi, condotta in plasmi termici, è una tecnologia emergente per la produzione di polveri ultra fini e ultra pure per i processi di sinterizzazione in assenza di pressione. In particolare le tecniche di produzione di polveri fini e di sinterizzazione senza pressione di ceramiche iperpure potranno generare rilevanti progressi nella

pro-duzione dei nuovi materiali superconduttori ad alta temperatura.

Le necessità più urgenti risiedono nello sviluppo, nell’analisi, negli apparati diagnostici e nella progettazione di un semplice reattore adatto per la sintesi di polveri fini refratta-rie di carburi, nitruri e ossidi metallici. La novità dei metodi, in parecchi casi, non ha ancora permesso di conoscere i limiti di tali tecnologie, ma si può affermare che ci si

Le necessità più urgenti risiedono nello sviluppo, nell’analisi, negli apparati diagnostici e nella progettazione di un semplice reattore adatto per la sintesi di polveri fini refratta-rie di carburi, nitruri e ossidi metallici. La novità dei metodi, in parecchi casi, non ha ancora permesso di conoscere i limiti di tali tecnologie, ma si può affermare che ci si