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Il controllo del moto di strutture su microscala e nanoscala riveste un notevole interesse ingegneristico. La sfida principale è quella di realizzare dei motori in miniatura in grado di convertire energia chimica in movimento, consentendo il funzionamento di dispositivi quali attuatori, sensori, sistemi di pompaggio e veicoli autonomi.
Le nanotecnologie promettono rivoluzionarie applicazioni soprattutto nel campo biomedico. In futuro sarà dunque possibile costruire biorobot microscopici da iniettare all'interno dell'organismo in grado di effettuare rilascio controllato di farmaci, prelievi per diagnosi o microchirurgia, localizzando e neutralizzando le cause di patologie come placche nelle arterie o depositi di proteine. Tali dispositivi saranno in grado di percepire lambiente circostante, comunicare tra loro o trasportare sostanze.
Il principale problema dell'utilizzo di anodispositivi è legato alla propulsione e alle strategie di power supply. Una soluzione promettente è rappresentata da dispositivi catalitici usati come “motori” in grado di eludere la necessità di trasportare fuel on board. La sfida è quella di poter realizzare nanomotori catalitici e poi assemblarli, come attuatori, su dispositivi submicrometrici immersi in ambienti contenenti l'appropriato “carburante”.
Oltre alle applicazioni biomediche, macchine su scala micrometrica e nanometrica possono essere utilizzate come componenti per una nuova classe di dispositivi per applicazioni in microrobotica e MEMS.
Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo studio e la realizzazione di sistemi di microattuazione basati su processi catalitici: nanorod e microrod bimetallici in oro e platino e una pompa per applicazioni microfluidiche.
I nanorod sono delle strutture cilindriche di dimensioni nanometriche formate da un segmento in oro ed uno in platino. Essi sono in grado di mostrare locomozione autonoma se immersi in soluzioni di perossido di idrogeno.
Uno degli obiettivi principali ha riguardato la messa a punto di apposite procedure sperimentali per la realizzazione dei dispositivi catalitici micrometrici e nanometrici. Le tecniche di fabbricazione sono state basate sulla crescita dei microrod e nanorod per electroplating all'interno di template costituiti da nanocavità di membrane porose o cavità microfabbricate in materiali polimerici termorestringenti.
Ulteriore obiettivo della tesi è stato la derivazione di una legge di scala che leghi la locomozione catalitica con le caratteristiche dimensionali dei rod. Tale derivazione, sulla base dei risultati ottenuti in strutture nanometriche permette di prevedere l'andamento dei parametri di locomozione fino al livello della mesoscala.
I microrod in oro e platino sono stati realizzati allo scopo di applicare il medesimo principio di funzionamento a strutture operanti nella mesoscala.
Lo sfruttamento di un meccanismo di locomozione catalitica su scala mesoscopica può infatti ampliare enormemente il campo di applicazione di quelli che sono comunemente definiti “motori molecolari”.
Infine, allo scopo di caratterizzare quantitativamente i processi catalitici studiati, la tesi prevedeva l'ideazione di un setup sperimentale e l'implementazione di un apposito software per l'analisi delle immagini.