Autrice: Alessia Guarnaccia
Le nanotecnologie rappresentano l’insieme di metodi e tecniche per il controllo e la manipolazione della materia sulla scala delle lunghezze nanometriche. Il nanometro è la miliardesima parte del metro (1 nm = 10−9 m), un ordine di grandezza che porta alle dimensioni di atomi e molecole.
A questa scala le proprietà fisiche, chimiche, strutturali della materia, possono “risultare estremamente differenti (e non sempre prevedibili)” se confrontate con le caratteristiche della stessa materia nella sua dimensione macroscopica, ordinariamente osservabile “ad occhio nudo”. Sono dimensioni in cui avviene il “passaggio” tra il mondo spiegato dalle leggi della fisica classica e quello in cui regnano le interpretazioni della meccanica quantistica.
Obiettivo delle nanotecnologie è valersi delle caratteristiche intrinseche presenti a questa scala, per progettare e realizzare sistemi, dispositivi, materiali con proprietà altamente performanti rispetto a specifiche esigenze.
«Quando entriamo nel mondo molto, molto piccolo – per esempio circuiti composti da sette atomi – abbiamo tante cose nuove che accadrebbero, che rappresentano opportunità completamente inedite per il progetto. Gli atomi a questa piccola scala si comportano come nient’altro può comportarsi a una grande scala, perché essi rispettano le leggi della meccanica quantistica. Quindi, mentre scendiamo a dilettarci con gli atomi laggiù, stiamo lavorando con leggi diverse e possiamo aspettarci di fare cose diverse…I principi della fisica, per quanto posso vedere, non parlano contro la possibilità di manovrare le cose atomo per atomo». Così si esprimeva il Nobel Richard Feynman, nel paragrafo Atoms in a small world della celebre There’s Plenty of Room at the Bottom. An Invitation to Enter a New Field of Physics; lezione tenuta il 29 Dicembre 1959, in occasione dell’incontro annuale dell’American Physical Society presso il California Institute of Technology (Caltech) e considerata convenzionalmente il punto di riferimento per la nascita delle nanotecnologie.
Il termine nanotecnologia fu poi utilizzato per la prima volta da Norio Taniguchi (Tokyo University of Science) nel 1974, per descrivere “la fabbricazione di precisione di materiali con tolleranze nanometriche”; poi ripreso da K. Eric Drexler (Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology, 1986) per descrivere le sue idee su ciò che diventerà noto come nanotecnologia molecolare (molecular nanotechnology – MNT); un concetto che riguarda “l’assemblaggio di dispositivi su scala molecolare” (basata sulla visione di R. Feynman “di fabbriche in miniatura che utilizzano nanomacchine per costruire prodotti complessi”), utilizzando la “meccanosintesi controllata posizionalmente, guidata da sistemi di macchine molecolari (molecular machine)”; nanofabbriche (nanofactories) capaci di costruire oggetti macroscopici con precisione atomica.
Drexler analizza il concetto di autoreplicazione e di macchina autoreplicante (self-replicating machine), “un tipo di robot autonomo in grado di riprodursi autonomamente utilizzando materie prime presenti nell’ambiente” (usa il termine di clanking replicator), emulando autoreplicazioni presenti in natura e prefigura assemblatori molecolari e nanorobot iniettabili, in grado di riparare danni interni al corpo umano a livello molecolare (una posizione visionaria che ha animato il dibattito con il Nobel Richard Smalley, celebre scopritore del fullerene, insieme a Robert Curl e a Harold Kroto). Con riferimento a questo concetto di macchine autoreplicanti (presentato ed esaminato anche da Homer Jacobson, Edward F. Moore, Freeman Dyson, John von Neumann), un’analisi completa dell’”intero spazio di progettazione del replicatore” è stata fatta da Robert Freitas e Ralph Merkle nella loro pubblicazioneKinematic Self-Replicating Machines. Una macchina autoreplicante “dovrebbe avere la capacità di raccogliere energia e materie prime, elaborare le materie prime in componenti finiti e quindi assemblarle in una copia di se stessa”. Più che un’unica struttura monolitica, si tratterebbe piuttosto di un “gruppo di macchine cooperanti” o di “una fabbrica automatizzata”, in grado di produrre tutte le macchine che la compongono (senza intervento o direzione umana).
Per cogliere la possibilità di “manovrare le cose atomo per atomo”, «dovrebbe essere possibile vedere individualmente gli atomi» (Feynman,There’s Plenty of Room at the Bottom, 1959) e ciò è stato sempre più possibile solo successivamente, soprattutto a partire dal 1982, grazie all’invenzione del microscopio a scansione a effetto tunnel (STM – Scanning tunneling microscope), che valse il Nobel 1986 a Gerd Binnig e Heinrich Rohrer e il cui principio di funzionamento risiede in un effetto intrinsecamente quantistico, l’effetto tunnel appunto. Grazie alla microscopia a tunnel, si è ad esempio realizzato un risultato iconico per il settore, quando Don Eigler, nell’ambito di un lavoro di ricerca supportato da IBM,riuscì a “scrivere” il logo dell’azienda con atomi di xeno su un nichel monocristallino («Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopaedia Brittanica on the head of a pin?» R. P. Feynman). Da questa tecnica di microscopia si è poi sviluppato il cosiddetto microscopio a forza atomica (AFM – Atomic Force Microscope/ SFM – Scanning force microscope), parte della estesa “famiglia delle tecniche di microscopia a scansione di sonda (SPM, Scanning probe microscopy)”.
Presupposto delle nanotecnologie è dunque “la capacità di controllare e manipolare la materia su scala nanometrica”(LINK), un livello dimensionale in cui possono emergere, per una data struttura materiale, proprietà e caratteristiche (meccaniche, elettriche, magnetiche ecc.) diverse da quelle che la stessa mostra su scala macroscopica: «una particella metallica può diventare trasparente, una particella semiconduttrice può cambiare colore, un’altra può fondere a una temperatura inferiore a quella usuale, ecc». Cambiamenti correlati alla “reattività degli atomi di superficie” e ai fenomeni quantistici detti di confinamento (quantum confinement effect) che emergono solo a questa scala dove “le proprietà dipendono fortemente dalle dimensioni”. Alla nanoscala, “proprietà fondamentali come resistenza meccanica, rapporto tra superficie e massa, conduttività e elasticità possono essere progettate per creare nuove classi di materiali”. Il concetto che, alla scala nanometrica, agendo sulle dimensioni (valorizzando le proprietà peculiari che vi si presentano) chi progetta un nuovo materiale, senza cambiare composizione chimica, può indurre cambiamenti verso precise direzioni, porterebbe a definire le nanotecnologie come «le tecnologie che riguardano materiali, dispositivi, processi che si basano sul confinamento quantico» (C.E. Bottani).
Quei materiali, appunto, le cui “proprietà strutturali e funzionali dipendono da componenti che abbiano almeno una delle tre dimensioni spaziali su scala nanometrica” (componenti denominati “nanostrutture”) sono detti “nanostrutturati” (LINK). Le nanostrutture sono generalmente classificate in base al numero di dimensioni “non confinate alla scala nanometrica (<100 nm)” in: strutture zero-dimensionali (0D), laddove le tre dimensioni sono tutte ridotte alla nanoscala (tipici di questa categoria sono i nanocristalli, i cluster, i punti quantici – qdots – e altre nanoparticelle); strutture mono-dimensionali (1D) in cui “solo una delle tre dimensioni è superiore ai 100 nm” (rientrano in questa categoria i nanofili e i nanotubi); strutture bi-dimensionali (2D) dove “solo una delle tre dimensioni è alla nanoscacla” (come superfici e film sottili, oppure matrici di nanoparticelle); strutture tri-dimensionali (3D) in cui nessuna delle tre dimensioni è alla scala nanometrica (LINK).
A livello europeo, nell’ambito di “un’applicazione armonizzata” delle disposizioni normative per il settore, la Commissione Europea ha adottato una specifica definizione di nanomateriale (Recommendation on the definition of a nanomaterial – 2011/696/EU) che, rispetto alle particelle contenute “in uno stato slegato o come aggregato o come agglomerato” nel materiale (“naturale, casuale o prodotto”), fa un preciso riferimento alla soglia di distribuzione delle grandezze numeriche in gioco: «…per il 50 % o più delle particelle nella distribuzione dimensionale numerica, una o più dimensioni esterne sono comprese tra 1 nm e 100 nm» (limite che può essere sostituito da una soglia compresa tra 1 e 50 % «in casi specifici e ove giustificato da preoccupazioni per l’ambiente, la salute, la sicurezza o la competitività»).
Con approcci cosiddetti “bottom up” (“componenti molecolari che si auto-assemblano sfruttando principi di riconoscimento molecolare”) o “top down” (creazione di nanostrutture partendo da macromateriali attraverso un “controllo dei processi di miniaturizzazione a livello atomico”) la nanotecnologia opera in maniera multidiciplinare per ottenere materiali e dispositivi che abbiano “un preciso insieme di prestazioni, superiori o comunque non assimilabili a quelle esibite dalle soluzioni convenzionali” (LINK).
Dal settore dell’elettronica all’energetica, dalla medicina e farmaceutica (drug delivery, Lab-on-a-chip etc.) all’alimentare, dalle costruzioni all’agricoltura, dal tessile al settore automobilistico, aeronautico, dell’esplorazione spaziale, lo scenario applicativo di queste tecnologie è immenso e destinato ad avere notevoli impatti nello sviluppo industriale e nella vita quotidiana.
La «capacità di vedere cosa stiamo facendo e di fare le cose a livello atomico» (Feynman) è sempre più considerata fondamentale nella soluzione dei problemi più critici del futuro: energia, acqua, cibo, ambiente, povertà, guerra, malattia, educazione, democrazia, demografia (Richard E. Smalley, Frontiers of Materials Research, 2004). Nel 2001, l’European White Book on Fundamental Research in Materials Science preconizzava l’importanza centrale, per risolvere le sfide del futuro, di progettare e produrre nuovi “materiali tailor-made” con “prestazioni migliorate e magari inedite, sin qui solo immaginabili”. Il libro bianco prevede per il 2050 il controllo dei fenomeni che interessano i materiali alla scala del nanometro e del femtosecondo (un milionesimo di miliardesimo di secondo) e in condizioni estreme di esercizio (LINK).
Quella delle nanotecnologie risulta essere una direzione di espansione della conoscenza, strategica e lungimirante; «uno sviluppo che penso non possa essere evitato» (R. Feynman).
Link iscrizione evento: https://singularityumilan.com/incontro44
References:
Feynman R. P., There is plenty of room at the bottom, in: Miniaturization, Horace D. Gilbert, New York, Reinhold, 1961
Drexler K. E., Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Books, 1986
Drexler K. E., Peterson C., Pergamit G., Unbounding the Future: The Nanotechnology Revolution, Quill, 1993
Freitas R., Nanomedicine, CRC Press, 1999
Schwarz J., Contescu C., Putyera K., Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology, Dekker, 2004
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Foto di Engin_Akyurt da Pixabay
