nanotecnologie

L’insieme delle metodologie di manipolazione, controllo e studio delle proprietà che la materia manifesta sulla scala delle lunghezze molecolari o nanometriche. Le ricerche nel campo delle nanotecnologie, iniziate già negli anni 1970, hanno avuto uno sviluppo significativo solo a partire dai primi anni 1990 come estensione della microtecnologia. Le applicazioni potenziali delle nanotecnologie coinvolgono la maggior parte dei settori scientifici e industriali: a) tecnologie dei materiali (materiali nanostrutturati); b) calcolatori elettronici (incremento della miniaturizzazione dei componenti elettronici con l’intento di raggiungere le dimensioni atomiche); c) medicina e biologia (materiali biocompatibili, sensori miniaturizzati, farmaci nanostrutturati); d) ambiente ed energia (nuovi tipi di batterie, celle solari, celle a combustibile, sviluppo di membrane selettive e di trappole nanostrutturate per rimuovere gli inquinanti, sensori per la rilevazione dei contaminanti); e) chimica (sviluppo di catalizzatori per migliorare l’efficienza energetica chimica e di combustione); f) settori meccanico, aeronautico e automobilistico (rivestimenti nanostrutturati resistenti all’usura e al calore, nanostrumentazione).

Origini e prospettive

Nel 1959, in occasione della Conferenza annuale della Società americana di fisica, secondo una proposta di Richard P. Feynman, premio Nobel per la fisica, si pensò di impiegare utensili meccanici per costruire utensili più piccoli, utilizzabili a loro volta per costruirne altri di dimensioni ancora minori, e così via fino al livello delle dimensioni molecolari e costruire così ‘nanomacchine’, ‘nanodispositivi’ e ‘nanorobot’ che potessero infine essere usati per sviluppare una grande varietà di strumenti microscopici e di attrezzi aventi precisione atomica. Nei 40 anni successivi sono stati fatti notevoli progressi verso la realizzazione dell’intuizione di Feynman. Infatti, a partire dall’invenzione del primo microcomputer, si è registrato un aumento esponenziale della velocità e della potenza dei calcolatori, in gran parte dovuto alla progressiva riduzione delle dimensioni dei componenti elettronici che si possono assemblare su una singola piastrina, o chip, di silicio. Diverse industrie sono nate con l’intento di produrre componenti molecolari di computer, utilizzando parti molecolari di dimensioni nanometriche.

Le nanotecnologie puntano a costruire oggetti a partire dalle loro componenti fondamentali, in netto contrasto rispetto ai tipici metodi industriali che consistono nel tagliare, dare forma e assemblare i prodotti finali a partire da un pezzo macroscopico di materiale. Costruire invece gli oggetti molecola per molecola offre un grado di precisione e di controllo sul prodotto finale senza precedenti. Inoltre, utilizzando ‘mattoni’ fondamentali di scala molecolare, si potrebbero realizzare dispositivi o strumenti molto complessi di dimensioni microscopiche, composti di migliaia o perfino milioni di parti meccaniche diverse. Le conseguenze dell’applicazione di questo metodo sono potenzialmente enormi: la medicina, per es., sarà rivoluzionata da nanostrumenti che potranno interagire e perfino sanare singole cellule viventi, arrivando a curare molte malattie e forse anche l’invecchiamento stesso. Con industrie più pulite si eviterebbe la creazione di nuove fonti di inquinamento e si potrebbe anche rimediare all’inquinamento già esistente, tradizionalmente dovuto ai processi di fabbricazione convenzionali. Al posto dell’acciaio, solitamente usato nelle costruzioni edili, potrebbero essere impiegati materiali economici e ultraleggeri ma fino a 50 volte più resistenti. Celle solari e batterie a basso costo potrebbero sostituire carbone, petrolio e celle nucleari con energia pulita, economica e abbondante in natura.

Metodi di assemblaggio

L’autoassemblaggio molecolare Esistono molti modi diversi per costruire macchinari su nanoscala. L’approccio più comune è l’autoassemblaggio e il DNA è il materiale di costruzione più utile. Nei primi anni 1980, il pioniere delle nanotecnologie Nadrian Seeman, della New York University, appurò che un filamento singolo di DNA presenta molti vantaggi come materiale di costruzione: rigidità polimerica, possibilità di manipolazione attraverso enzimi noti e interazione intermolecolare con altri filamenti, facilmente programmabile grazie alla caratteristica di complementarità delle coppie di nucleotidi, i mattoni fondamentali del materiale genetico. Sequenze arbitrarie di DNA possono essere fabbricate con facilità utilizzando procedimenti biotecnologici convenzionali. A metà degli anni 1990 Seeman era riuscito a fabbricare DNA di quasi tutte le forme geometriche regolari, in gruppi di miliardi alla volta.

Nel 2001, Seeman ha presentato uno dei suoi risultati più interessanti: l’equivalente molecolare di un motore a quattro tempi, ovvero una macromolecola capace di convertire energia chimica in energia meccanica e quindi in movimento, interamente costruito e rifornito da DNA. Perché il motore possa girare continuamente, deve essere rifornito a ogni quarto di giro con un fluido contenente la sequenza giusta di DNA. La gamma dei movimenti che i motori molecolari possono realizzare va dalle frazioni di nanometro fino a qualche decina di nanometri. In pochi anni, motori molecolari basati su questa tecnologia potrebbero fornire di motore e controllare generazioni di robot molecolari.

L’autoassemblaggio molecolare posizionale Per le strutture più complesse, come i robot molecolari completi costituiti da migliaia o milioni di parti, sarà molto difficile fare in modo che tutte le parti si assemblino spontaneamente nel giusto ordine. Per costruire tali strutture potrebbe avere invece più senso progettare un meccanismo, chiamato assemblatore molecolare, che si basi sull’assemblaggio posizionale, cioè prenda le componenti molecolari e le posizioni esattamente dove si vuole. Usando il principio dell’assemblaggio posizionale il robot manipolatore sceglie una componente, la muove sul pezzo in lavorazione, la installa, quindi ripete la procedura con le diverse parti fino a che il prodotto finale è completo. Molto interessante è il risultato raggiunto con la tecnica di assemblaggio posizionale da Philip Kim dell’Università della California, a Berkeley, e da Charles Lieber a Harvard. Questi ricercatori hanno creato nel 1999 la prima nanopinza multiuso. Le sue estremità funzionali sono costituite da una coppia di nanotubi di carbonio controllati elettricamente ricavati da fasci di nanotubi a parete multipla. Per far funzionare la pinza si applica una differenza di potenziale agli elettrodi, in modo che uno dei due nanotubi acquisisca una carica elettrostatica positiva e l’altro una carica negativa. La forza attrattiva, e quindi il livello di presa della nanopinza, può essere aumentata o diminuita variando il potenziale applicato.

La nanoelettronica

Il settore dell’elettronica molecolare, fra tutti quelli appartenenti al campo delle nanotecnologie, è quello che ha registrato, a partire dagli ultimi anni del 20° sec., i progressi più importanti, come dimostrato dalla realizzazione dei primi circuiti molecolari e dei primi nanocomputer. Le ricerche nella nanoelettronica sembrano convergere verso metodi efficaci di fabbricazione di circuiti, inclusi vari approcci per la realizzazione di circuiti molecolari per autoassemblaggio, comprendendo una vasta gamma di componenti elettronici molecolari come fili, diodi e transistori. Sia la velocità di calcolo sia la capacità di memoria dei calcolatori potrebbero compiere ben presto grandi progressi, riducendo drasticamente i costi e le difficoltà di fabbricazione.

Potenzialmente un importante ‘mattone’ per l’elettronica molecolare è il nanotubo di carbonio, così come il più importante componente nell’elettronica è sicuramente il transistore. Per realizzare un semplice transistore a nanotubi, viene distribuita una soluzione di nanotubi a parete singola su una matrice di elettrodi realizzati in precedenza. La copertura superficiale è così sottile da assicurare che un nanotubo al massimo connetta un elettrodo emettitore con uno collettore. Cees Dekker e i suoi collaboratori dell’Università tecnologica di Delft, nei Paesi Bassi, sono stati i primi a progettare e costruire, nel 1999, un transistore a nanotubi di carbonio funzionante. Successivamente, connettendo elettricamente tra loro i transistori a nanotubo, mediante collegamenti in oro realizzati per litografia, il gruppo di Delft è riuscito a costruire un buon numero di circuiti logici, compresa una cella di memoria che può essere utilizzata come parte di una memoria RAM. In sostanza, i circuiti realizzati sfruttando la logica molecolare, secondo Dekker, saranno in grado di funzionare a qualsiasi velocità compresa tra il megahertz e il terahertz, valori che superano quelli attualmente possibili di un fattore 1000.

Approfondimento di Andrea Carobene

Le nanotecnologie consentono di modificare le proprietà della materia intervenendo direttamente su singole molecole e persino su pochi atomi. È stato possibile realizzare questa rivoluzione sulla base delle nuove tecniche di microscopia, che hanno superato i limiti dei microscopi ottici, che per loro natura non possono vedere oggetti più piccoli della lunghezza d'onda della luce, vale a dire attorno ai 400 nm. Tra gli apparati microscopici più utilizzati per le nanotecnologie vi sono gli strumenti a scansione di sonda, come per esempio lo STM (scanning tunnel microscope). Queste sonde permettono non solo di esplorare i singoli atomi, ma anche di manipolarli e di spostarli.

Le applicazioni delle nanotecnologie

Le nanotecnologie vanno ben oltre le tecniche per realizzare le comuni reazioni chimiche, con le quali si sintetizzano molecole sconosciute con meccanismi che riguardano moltitudini di individui. La manipolazione 'individuale' delle molecole le trasforma direttamente da un tipo in un altro, operando come se si avessero a disposizione i piccoli mattoni di un gioco di costruzione da assemblare a piacere. Non stupisce quindi che il settore delle nanotecnologie sia in piena espansione e che molte industrie stiano scommettendo sui nuovi prodotti che esse permettono di creare.

Le applicazioni sono molteplici e vanno dalla metallurgia all'elettronica, dalla farmacologia alla fisica dei materiali. Sono state realizzate per esempio strutture molecolari molto più leggere dei metalli, ma con le stesse, se non migliori, caratteristiche di resistenza meccanica o di conducibilità elettrica. Oppure, attualmente sono allo studio nuove molecole di interesse farmacologico in grado, grazie alla loro struttura, di colpire selettivamente le cellule malate dell'organismo risparmiando quelle sane. Già oggi esistono in commercio materiali frutto di ricerche di questo tipo, tra i quali superfici battericide o ignifughe. Le nanotecnologie sono anche utilizzate per combattere l'inquinamento, per es. per produrre catalizzatori industriali più efficienti in modo da ridurre la dispersione di sostanze tossiche nell'ambiente o per costruire serbatoi capaci di trattenere meglio l'idrogeno da usare nelle celle a combustibile.

Nel settore della nanoelettronica si prevede che queste tecnologie possano trovare applicazione nella realizzazione di supporti per la memorizzazione molto più capienti degli attuali e che, per es., riescano a connettere direttamente i chip basati sui semiconduttori alle memorie magnetiche, aumentando così la velocità di elaborazione dei computer. Un altro settore particolarmente interessante è offerto dalle micro o nanomacchine: apparecchi meccanici composti solo da alcune molecole che possono assolvere una pluralità di compiti, aiutando per es. ad assemblare sulla scala del millesimo di millimetro altri oggetti microscopici.

Organico e inorganico, un confine sempre più labile

La possibilità di operare alle dimensioni dei nanometri sta anche modificando i tradizionali confini tra le discipline. Diventa infatti possibile modificare allo stesso modo la composizione di struttura inorganica o quella delle molecole costituenti un organismo vivente. Infatti, in linea di principio non vi è alcuna differenza tra lavorare su molecole caratteristiche del regno della vita, come potrebbero essere gli acidi nucleici, o quelle tipiche di altre discipline, come il silicio per l'elettronica. Questa dissoluzione tra i confini classici delle discipline ha anche il suo corrispettivo nella produzione di oggetti che scavalcano i confini tradizionali tra vita e non vita e in grado di creare nuove commistioni tra inorganico e organico. Sono già stati realizzati infatti composti 'chimerici' costituiti da frammenti di DNA, di virus o di batteri su nanostrutture metalliche. Questi 'nanomotori' sfruttano alcune proprietà organiche e potrebbero per es. essere iniettati in un paziente assieme a un farmaco, individuare le cellule malate (per esempio quelle tumorali, riconoscendole dalla loro sequenza genetica) e poi rilasciare direttamente su di esse il farmaco. Altre ricerche puntano invece a costruire computer 'organici', nei quali la computazione sia effettuata sfruttando le quattro lettere proprie del codice genetico: macchine calcolatrici che potrebbero avere dimensioni minime garantendo nel contempo enormi potenze computazionali.

Rischi e timori

Le nanotecnologie, sin dal loro nascere, hanno suscitato grande interesse ma anche grandi timori relativi alla produzione e al rilascio nell'ambiente di oggetti microscopici dei quali non sono ancora note le conseguenze né sugli ecosistemi né sulla salute umana. Altre perplessità sono nate per l'utilizzo delle nanotecnologie nel settore alimentare, con la produzione di nuovi coloranti e additivi elaborati con queste tecniche. Una delle preoccupazioni principali è per es. che queste nanostrutture, che hanno le dimensioni di piccole molecole, quando sono immesse per scopi terapeutici o alimentari nell'organismo, per le loro ridottissime dimensioni, possano superare la barriera chimica che protegge il cervello e causare danni al sistema nervoso.

L'Unione Europea ha pubblicato diversi rapporti che, pur sottolineando gli enormi benefici possibili di queste tecniche, esortavano a verificare con attenzione i possibili rischi per l'ambiente e per la salute prima di arrivare a una produzione e diffusione su grande scala. Una delle soluzioni proposte è quella di utilizzare per i nuovi composti nanostrutturati le stesse cautele che sono adottate per la commercializzazione di tutti i nuovi prodotti chimici: quindi, effettuare test in vitro e su modelli animali per appurarne gli effetti prima di commercializzarli.

Abstract di approfondimento da Nanotecnologie di Giorgio Benedek e Paolo Milani (Enciclopedia della Scienza e tecnica)

Applicazioni di materiali e di sistemi

I concetti e i campi di applicazione delle nanotecnologie emersi negli ultimi decenni esercitano una profonda influenza sia sulla ricerca fondamentale sia sulle tecnologie industriali, orientandole verso direzioni largamente imprevedibili. Tra i numerosi prodotti industriali basati sulle nanotecnologie attualmente disponibili vi sono: (a) i nuovi pneumatici particolarmente resistenti all’usura; (b) i farmaci costituiti da nanoparticelle per un rilascio efficiente e mirato; (c) i colori e i pigmenti per la stampa (che ne hanno grandemente migliorato la qualità e la stabilità); (d) i laser a semiconduttore e le testine per lettura/scrittura ad alta risoluzione e ad alta velocità su dischi ottici e magnetici. Attualmente esistono concrete previsioni di sviluppo e di applicazione industriale di numerose nuove nanotecnologie. La National nanotechnology initiative, promossa dal presidente degli Stati Uniti sulla base dei più autorevoli documenti scientifici disponibili e approvata dal Congresso americano nel novembre 2000, aveva previsto per il primo decennio di questo secolo un largo apporto delle nanotecnologie nei settori descritti qui di seguito.

Industrie automobilistiche e aeronautiche, esplorazione spaziale

Materiali compositi rinforzati con nanoparticelle per parti leggere; pneumatici rinforzati da nanoparticelle resistenti all’usura e riciclabili; vernici antipolvere; plastiche non infiammabili a basso costo; elettronica di controllo; rivestimenti e tessuti autoriparanti; veicoli spaziali ultraleggeri; generazione e gestione economica dell’energia; sistemi robotici molto piccoli ed efficienti. Speciale menzione, inoltre, meritano: i nuovi rivestimenti protettivi con elevata resistenza alla corrosione e all’erosione, in sostituzione dei rivestimenti a base di cromo, assai dannosi per l’ambiente; gli strati sottili per il filtraggio ottico e le barriere termiche; i polimeri e i materiali compositi nanostrutturati.

Elettronica per le comunicazioni, sensoristica e sistemi elettromeccanici

Sistemi di registrazione basati su nanostrutture quantiche; schermi ultrapiatti; tecnologie senza filo (tecnologie wireless); nuovi dispositivi e processi in tutti i settori tecnologici dell’informazione e comunicazione basati su capacità di stoccaggio dati e velocità di calcolo da 1000 a 1 milione di volte maggiore di quelle attuali. Sono stati compiuti passi fondamentali verso la realizzazione di sistemi elettronici e magnetici su scala nanometrica con varie funzioni. È stata dimostrata la possibilità di realizzare nanocircuiti autoassemblati e vi sono prospettive per la realizzazione di switch con singole molecole organiche e di memorie non volatili con una densità di bit maggiore di 1 milione di volte rispetto alle attuali DRAM (Dynamic random access memory). Un transistore a effetto di campo è stato realizzato mediante un nanotubo a parete singola nel ruolo del canale di connessione. È stata realizzata e commercializzata una testina magnetica di lettura basata sull’effetto della magnetoresistenza gigante, che si realizza in multistrati nanometrici di materiali magnetici e non magnetici alternati (Albert Fert e Peter Grünberg, premi Nobel per la fisica nel 2007). Sulla scala nanometrica si hanno facilmente fenomeni di tunnel degli elettroni che portano alla realizzazione di dispositivi a tunnel risonante, di sistemi di giunzioni Josephson con potenzialità nella computazione quantistica. Anche la spintronica, basata sul trasporto di elettroni a spin definito, ha prospettive di realizzazione sulla scala nanometrica. La discesa alla scala nanometrica consente di integrare in un singolo chip una serie di sensori e tutta l’elettronica corrispondente per un’analisi chimica completa dell’aria o dei liquidi e la rivelazione di agenti tossici o esplosivi. Così l’integrazione di funzioni elettroniche e meccaniche prelude alla realizzazione di nanorobot e dei già citati NEMS.

Prodotti chimici e materiali per l’energetica

Nuovi tipi di batterie; fotosintesi artificiale per produzione di energia pulita; celle solari a buca quantica; stoccaggio sicuro dell’idrogeno per celle a combustibile; risparmio energetico dall’uso di materiali ultraleggeri; catalizzatori che aumentano l’efficienza energetica degli impianti chimici e l’efficienza di combustione dei veicoli a motore, riducendo globalmente le emissioni inquinanti. Importanti sono anche gli aerogel, consistenti in materiali spugnosi altamente porosi con una trama tridimensionale nanostrutturata, che promettono molto nel campo della catalisi e dell’accumulo di energia in virtù dell’enorme area superficiale. La conversione dell’energia solare in energia chimica, secondo un processo di fotosintesi artificiale, è stato dimostrato in una cella fotochimica di Graetzel costituita da un film di TiO₂ nanostrutturato sul quale si adsorbono molecole di un colorante. Così i catodi di batterie a litio, i componenti delle celle a combustibile e il corrispettivo stoccaggio di idrogeno si valgono di materiali nanostrutturati con grandissima area superficiale, fra i quali i nanotubi e il carbonio nanostrutturato sopra menzionato. Infine, la sintesi a basso costo di zeoliti nanoporose ha portato a una vera rivoluzione nella catalisi dei processi petrolchimici, che consente – dall’inizio del 2000 – il ‘processo’ di oltre 7 miliardi di barili di petrolio e di altri prodotti chimici con fatturati di molte decine di miliardi di dollari all’anno.

Prodotti farmaceutici, tutela della salute e scienze della vita, biotecnologie e applicazioni biomediche

Nuovi medicinali nanostrutturati; sistemi di rilascio di farmaci e materiale genetico mirati a specifici siti del corpo; protesi biocompatibili e sostitutivi di fluidi fisiologici; strumenti di autodiagnosi; sensori per test biologici su chip; materiali per la rigenerazione del tessuto osseo e altri tessuti. A questo settore vanno ascritti i numerosi nanosistemi e i dispositivi proposti per determinare la sequenza di singole molecole di DNA, destinati ad aprire grandi prospettive nella genomica su larga scala e nell’applicazione di nanostrutture inorganiche quali marcatori in biologia e in medicina. Le biomolecole hanno dimensioni e attributi che le rendono adatte a numerose applicazioni nanotecnologiche. Un aspetto particolarmente importante è l’ingegneria dei tessuti biologici, che ha l’obiettivo di usare le cellule e le loro molecole per la costruzione di sostituti a tessuti danneggiati o non funzionanti. Altre applicazioni sono l’impiego di nanocristalli semiconduttori come i marcatori biologici fluorescenti e dei chip di DNA sopra menzionati nella determinazione delle sequenze del genoma.

Industria manifatturiera

Ingegneria di precisione basata su nuove generazioni di microscopi e di tecniche di misura su scala nanometrica; nuovi processi e strumenti per manipolare la materia a livello atomico; nanopolveri sinterizzate per materiali con specifiche proprietà, quali sensori per rivelare rotture incipienti e attuatori per autoriparazioni; lucidature chimico-meccaniche con nanoparticelle; autoassemblaggio di strutture da molecole; biostrutture e materiali biomimetici. Vi sono molti materiali le cui proprietà dipendono dalla presenza di componenti finemente disperse. La realizzazione di dispersioni su scala nanometrica ha aumentato notevolmente il valore aggiunto di tali materiali. Ne sono esempi l’impiego di nanoparticelle di silice colloidale nella manifattura delle fibre ottiche attraverso processi sol-gel; i nanocompositi nei quali polimeri tradizionali sono rinforzati dalla dispersione di particelle nanometriche; le plastiche con nanoparticelle inorganiche a infiammabilità ritardata; i rivestimenti di superfici con nanoparticelle per diversi scopi quali l’aumento della resistenza all’usura e alla corrosione chimica; l’autolubrificazione; la formazione di barriere termiche; la modifica delle proprietà ottiche; la realizzazione di catalizzatori ad alta area specifica; le polveri nanometriche per la decontaminazione dell’aria da batteri tossici; le nanoparticelle per inchiostri e coloranti; i fluidi magnetici (ferrofluidi) realizzati mediante la dispersione di nanoparticelle ferromagnetiche in un liquido; fluidi magnetici smart per tenute a vuoto e lubrificanti. La dispersione di particelle nanometriche in fasi solide consente anche la fabbricazione di materiali strutturali ad alte prestazioni come acciai, leghe e materiali ceramici di grande durezza e superiori proprietà meccaniche; punte di trapano; lame di frese e strumenti da taglio ad altissima durezza e bassa fragilità; nuovi materiali ferromagnetici; bitumi particolarmente resistenti all’usura; cementi duttili; protesi mediche integrabili con i tessuti biologici.

Ambiente e sicurezza

Le applicazioni riguardano le membrane selettive per il filtraggio di contaminanti e la dissalazione; le trappole nanostrutturate per la rimozione di inquinanti dagli efflussi industriali; la definizione dell’impatto ambientale delle nanostrutture; il mantenimento della sostenibilità industriale mediante significative riduzioni di materiali e di energia utilizzati; la riduzione delle fonti di inquinamento e l’aumento delle possibilità di riciclaggio. Nel campo della sicurezza sono importanti i rivelatori e i detossificatori di agenti chimici e biologici; i sistemi di sorveglianza miniaturizzati e lo sviluppo dell’elettronica corrispondente; i materiali mimetici, sostitutivi del plasma sanguigno; i materiali e i rivestimenti nanostrutturati ultrarobusti; i tessuti leggeri e autoriparanti.