Nano particles passivation behaviour investigation

In the last years metal nano-particles, synthesized by several methods have become widely used in a number of different fields such as medicine or environment, energy and consumer goods. Generally, the technological use of nano-particles connects with the energetic formulations and the incredible high chemical reactivity as a function of the particle size. They are also largely used in propellants, explosives and pyrotechnics because of their high combustion enthalpy. As well as this due to their high reactivity and big risk of explosion, a passivation process is needed to easily handle them under safe conditions. Particles oxidation is a complex phenomenon involving heat and mass transfer at a reactive moving interface. In order to correctly investigate this mechanism it is therefore necessary to couple the convective-diffusion problem to the heat transfer one, taking into account for particles interaction, convection and temperature variation. Two numerical models have been built with the intention to investigate the time scale process and to find out the amount of energy released. The first one is developed in Matlab, while the second one is developed in Comsol, which is a software able to solve not only partial differential equations, but also chemical reaction ones at the same time. The model is supposed to be lately evolved with the addiction of a flux and Navier-Stokes equations. The model has been validated thanks to other experimental results.

Negli ultimi anni l'interesse per le nano-particelle metallizzate si è rivelato in continua crescita. L'importanza acquisita da questo genere di materiali risiede nella loro formulazione estremamente energetica, ma soprattutto nell'incredibilmente elevata reattività chimica. A ciò si aggiungono le ridotte dimensioni caratteristiche e l'incremento del rapporto area specifica/volume che rendono le nano-particelle irresistibili e adeguate per diverse applicazioni. Nel campo medico per esempio, le ridotte dimensioni delle particelle consentono il raggiungimento di posti dove altri componenti non riescono ad arrivare. Analogamente in settori come quello ambientale, o per la produzione di generi di ordinario consumo o ancor più in settori come quello energetico, le enormi potenzialità delle nano-particelle vengono sfruttate al massimo. Restando proprio nel campo energetico, particolare successo viene riscontrato nella sperimentazione di nuovi propellenti ed esplosivi che sfruttano appieno l'elevata entalpia di combustione delle stesse. Chiaramente a questi enormi poteri di produzione energetica, sono associati grossi rischi di esplosioni non controllate a contatto con l'aria, o addirittura di auto-ignizioni. E' possibile limitare e in alcuni casi eliminare questi effetti collaterali grazie all'ausilio di tecniche di passivazione che quindi diventano di importanza fondamentale. L'ossidazione è un processo che prevede il trasferimento di massa e calore su di un'interfaccia reattiva e mobile. Grazie ad essi la formazione di uno strato protettivo di ossido che circonda la particella, ne previene il diretto contatto con l'aria e ne isola il nucleo. Data l'elevata reattività e l'alto contenuto entalpico delle nano-particelle di alluminio, la passivazione è un fenomeno che avviene in maniera quasi istantanea e che risulta quindi difficile da controllare e da parametrizzare. Obiettivo di questo lavoro è quindi l'investigazione del processo di passivazione delle nano-particelle di alluminio, in maniera tale da poterlo poi controllare. La criticità di un lavoro del genere risiede proprio nella difficoltà nel cogliere i diversi stadi del processo che spesso non consente di registrare correttamente le variazioni dei singoli parametri di interesse. Per cui, prima di imbattersi in un lavoro sperimentale rischioso e difficoltoso, si è deciso di investigare il fenomeno attraverso uno studio numerico. A tale scopo sono stati costruiti due modelli. Il primo realizzato grazie all'utilizzo di Matlab, consente di investigare le diverse scale temporali che regolano il processo. Mentre il secondo realizzato grazie all'utilizzo di Comsol, quantifica l'energia rilasciata durante l'intero processo di passivazione.