Grandezze del Nanomondo, tesina

IIS - Istituto superiore

"A. B." - Lecco

Badoni

LST - Liceo scientifico tecnologico

Esame di Stato 2013/2014

Le grandezze del nanomondo

Rocchi Andrea

Classe 5B LST

Sommario

Introduzione alle nanotecnologie: il futuro a portata di nano....................................................................................................................

2

Storia delle nanotecnologie

.................................................................................................................................................................................................

3

STM e AFM: la nano struttura diventa visibile .......................................................................................................................................................

4

I nano aggregati: Cluster & co ............................................................................................................................................................................................

8

Sì, ma come? Smontiamo la materia .............................................................................................................................................................................

9

Due approcci: Top-down e Bottom-up .......................................................................................................................................................................

9

Fullereni di carbonio e il pallone da calcio: quando i chimici si mettono a giocare ....................................................................

11

Bio e Nano: la Natura è sempre un passo avanti ...............................................................................................................................................

13

La nanotecnologia sul soffitto: il geco ................................................................................................................................................................

13

L’effetto Lotus .....................................................................................................................................................................................................................

16

Il futuro: un Pianeta governato da nano robot? .................................................................................................................................................

18

Nanotechnology In Medicine: Huge Potential, But What Are The Risks?

.........................................................................................

19

Concludendo… e siamo solo all’inizio! .......................................................................................................................................................................

22

Bibliografia ..................................................................................................................................................................................................................................

23

Sitografia

.......................................................................................................................................................................................................................................

23

5B LST Andrea Rocchi

Le grandezze del nanomondo

1 IIS A. BADONI – Lecco a.s. 2013-2014

Andrea Rocchi 5B LST

Le grandezze del nanomondo

Introduzione alle nanotecnologie: il futuro a portata di nano

Cosa sono le nanotecnologie? Spesso si fa confusione tra nanotecnologia e microtecnologia, ma in realtà le nanotecnologie rappresentano una vera rivoluzione a livello scientifico e sociale, destinata a cambiare radicalmente la vita di tutti i giorni in un futuro che è ormai presente.

Ufficialmente non esiste una definizione universalmente accettata dalla comunità scientifica; in generale è possibile affermare che le nanotecnologie rappresentano il controllo e la manipolazione della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro (normalmente tra 1 e 100 nanometri).

Per avere un'idea di ciò che significa operare a dimensioni nanometriche, è utile osservare ciò che ci circonda ricordando che 1 nanometro è pari ad 1 miliardesimo di metro. Un nanometro corrisponde alla lunghezza di una piccola molecola. Su questa scala la materia presenta svariate proprietà, a volte molto sorprendenti.

Confrontando le dimensioni un oggetto di uso comune, come ad esempio una moneta di 1 euro (il cui diametro è pari a 23 milioni di nanometri) con un nanotubo di carbonio (pari a 1 nanometro) ci si rende conto di come si tratti di dimensioni infinitamente piccole.

Moneta da 1 euro = Nanotubo =

23.000.000 di nanometri 1 nanometro

La vera rivoluzione nasce dal fatto che solo in tempi recenti sono state evidenziate alcune proprietà specifiche della materia, le quali variano a seconda delle dimensioni in cui essa si trova.

IIS A. BADONI – Lecco a.s. 2013-2014 2

5B LST Andrea Rocchi

Le grandezze del nanomondo

Storia delle nanotecnologie

Ecco un breve elenco delle principali tappe della storia dello sviluppo delle nanotecnologie:

1959. La data di nascita delle nanotecnologie è ben definita e piuttosto recente: il 29 dicembre 1959. In questo giorno Richard Feynman tiene la famosa conferenza "There's plenty of space at the bottom", dove svolge considerazioni teoriche sulla possibilità di costruire macchine a livello molecolare e di creare sistemi per l'immagazzinamento di enormi quantità di informazioni:

“Quello di cui voglio parlare è il problema di manipolare e controllare le cose su una scala piccolissima. Appena ne parlo, la gente mi ricorda la miniaturizzazione e come questa sia progredita fino a oggi, […] ma questo è nulla: è soltanto il più primitivo stadio iniziale nella direzione che intendo discutere. […] Considerate la possibilità che anche noi, come la biologia molecolare, siamo in grado di costruire oggetti piccolissimi che facciano quello che vogliamo; allora potremo anche produrre macchine capaci di manovrare a quel livello. […] Non ho paura di dire che la questione decisiva sarà se alla fine – in un futuro lontano - saremo capaci di disporre gli atomi nel modo che vogliamo; sì, proprio giù sino agli atomi.”

Tra l’incredulità dei presenti Feynman sostenne che un giorno sarebbe stato possibile scrivere l’intero contenuto dell'Enciclopedia Britannica sulla capocchia di uno spillo, e che tutti i libri del mondo avrebbero potuto essere condensati in un minuscolo opuscolo. In questa conferenza Feynman indicò una serie di strade che soltanto in seguito sarebbero state definite nanotecnologia: per esempio produrre computer molto più piccoli e veloci (all’epoca una vera e propria profezia).

1974. Taniguchi dell’Università di Tokyo conia il termine "nanotecnologia".

Taniguchi propose di distinguere l’ingegneria su scala micrometrica da un nuovo livello sub-micrometrico che chiamò, appunto, “Nanotecnologia”. Inizialmente pensato per processi che coinvolgessero pochi atomi e molecole, il termine venne progressivamente esteso per includere ciò che avviene sotto i 100 nm (ricordiamo -9

che 1 nm = 10^-9 m).

1981. Binnig e Roher, dei laboratori IBM di Zurigo, inventano l'STM (Scanning Tunnelling Microscope), dispositivo capace di visualizzare strutture su scala atomica (solo per materiali conduttori). Nel 1986 ai due scienziati viene attribuito il Premio Nobel per la Fisica. Nel 1986 Binnig, Quate e Gerber sviluppano l'AFM, che può ottenere immagini anche di materiali non conduttori.

1985. Curl, Kroto e Smalley scoprono l'esistenza di una particolare molecola di carbonio, il buckminsterfullerene, C60, a forma sferica (più precisamente composto da esagoni e pentagoni, come un pallone da calcio). Successivamente vengono scoperte altre forme di fullereni, inclusi i nanotubi, a simmetria cilindrica. Da allora gli studi su queste forme del carbonio hanno avuto un grande sviluppo, per cercare di capirne le potenziali applicazioni in ambito nanotecnologico.

3 IIS A. BADONI – Lecco a.s. 2013-2014

Andrea Rocchi 5B LST

Le grandezze del nanomondo

1986. Drexler scrive "Engines of creation". Nel libro l'autore descrive le vertiginose prospettive delle nanotecnologie, ed introduce alcuni famosi concetti, come quello di "assemblatori universali" (nanomacchine capaci di operare atomo per atomo) e quello di "gray goo" (un possibile esito disastroso causato da nanomacchine capaci di autoreplicarsi).

Successivamente Drexler, in "Nanosystems: Molecular Machinery, manufacturing and computation" descrive in maniera tecnicamente più precisa le sue idee sulla nanotecnologia molecolare. Nel 1986 fonda il Foresight Institute, per sviluppare una coscienza critica sulle possibili conseguenze delle nuove tecnologie.

1989. Eigler dimostra la possibilità di manipolare e posizionare atomi individualmente con un STM raffreddato ad elio liquido, scrivendo le lettere I B M con atomi di Xenon.

2000. Il Presidente degli Stati Uniti Clinton vara i finanziamenti per la National Nanotechnology Initiative, includendo lo sviluppo del settore negli obiettivi strategici del proprio Paese. Da allora cospicui finanziamenti pubblici e privati sono stati indirizzati sulle nanotecnologie in tutte le aree sviluppate. L'Unione Europea ha inserito il settore tra le aree primarie dei suoi Programmi Quadro. Si amplia progressivamente il numero di aziende che lavorano sul settore e quello di prodotti basati su nanotecnologie che arrivano sul mercato.

2010. In tutto il mondo sono stati investiti più di 18 miliardi di dollari in ricerca e sviluppo, che a loro volta hanno generato quasi 300 miliardi di dollari in prodotti basati sulle nanotecnologie.

STM e AFM: la nano struttura diventa visibile

Nel 1983, nei laboratori IBM di Zurigo, inizia a prendere una forma concreta il progetto di Feynmann. Gerd Binning e Heinrich Roher, i due fisici che furono insigniti nel 1986 del premio Nobel per la fisica, concludono l'esperimento al quale stanno lavorando da anni: lo Scanning Tunneling Microscope (STM), un microscopio a scansione tunnel.

Si tratta di un microscopio senza lenti e assai lontano per forma, dimensioni e funzioni dai microscopi tradizionali. Grazie a particolari leggi della fisica quantistica, il microscopio a scansione tunnel permette di vedere singoli atomi sulla superficie di un materiale conduttore, un materiale cioè che permette il passaggio della corrente elettrica grazie alla sua particolare struttura molecolare.

L’effetto su cui si basa è il tunnelling quantistico o effetto tunnel postulato per la prima volta nel 1928 dal fisico ucraino George Gamow per

IIS A. BADONI – Lecco a.s. 2013-2014 4

5B LST Andrea Rocchi

Le grandezze del nanomondo

α

spiegare il decadimento alfa, in cui una particella (un nucleo di elio) emessa da un nucleo in quanto riesce a superarne la barriera di potenziale.

Nella meccanica classica la legge di conservazione dell’energia prevede che una particella possa superare un determinato ostacolo (o barriera di potenziale) soltanto se essa possiede un’energia sufficiente. Ad esempio, per fare risalire una palla in cima ad una collina, e farla rotolare lungo il crinale opposto, sarà necessario imprimerle una velocità (e quindi fornirle un’energia cinetica) almeno pari all’energia potenziale del punto di massima altezza (E cinetica ≥ E potenziale).

Tale situazione non avviene nella meccanica quantistica. Nel mondo

Formazione di una superficie increspata

Per effetto tunnel

quantistico, infatti, una particella è associata ad una funzione d’onda che prevede una probabilità, piccola ma concreta, di attraversare una barriera di potenziale più elevata dell’energia posseduta dalla particella stessa.

E’ possibile dimostrare che la soluzione dell’equazione di Schrödinger all’interno di una barriera di potenziale è rappresentata da una funzione esponenziale decrescente; poiché le funzioni esponenziali non raggiungono mai il valor nullo, esiste una minima probabilità che la particella si trovi al di là della barriera dopo un intervallo di tempo.

Infatti, esiste un certo grado di indeterminazione tra i vari livelli energetici ed il tempo, che si traduce in rapide fluttuazioni dei sistemi microfisici. Ciò significa che per tempi estremamente brevi (Δt), dell’ordine di diversi miliardesimi di secondo, gli elettroni possono avere un’energia sufficiente (ΔE) per oltrepassare la barriera di potenziale, altrimenti insuperabile.

Tuttavia, il principio di indeterminazione di Heisemberg vincola tale effetto ad una rapidissima restituzione dell’energia utilizzata per far avvenire tale transizione (ΔE•Δt ≥ h/4π). Per lo stesso

Punta del microscopio a scansione a effetto tunnel – STM

principio non sarà possibile osservare la particella durante l’attraversamento della barriera, ma soltanto prima e dopo la transizione.

L’effetto tunnel, impossibile per la fisica classica, è stato ampiamente dimostrato sperimentalmente a livello atomico, ed è alla base di vari fenomeni che avvengono in natura, come la radioattività e le reazioni di fusione nucleare delle stelle.

D’altra parte, molte delle recenti nanotecnologie si basano sull’effetto tunnel, tra i quali le giunzioni tunnel a stato solido per elettroni, dove due metalli sono separati da un sottile strato isolante (MIM); le giunzioni di tipo superconduttore-isolante-superconduttore (SIS) ed i conseguenti dispositivi superconduttivi a interferenza quantistica; le giunzioni ferromagnete-isolante-ferromagnete ed i conseguenti dispositivi di memoria MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory).

5 IIS A. BADONI – Lecco a.s. 2013-2014

Andrea Rocchi 5B LST

Le grandezze del nanomondo

Nell’ambito della ricerca scientifica di base, dunque, l’effetto tunnel ha permesso la realizzazione del microscopio a scansione per effetto tunnel (STM), uno strumento indispensabile per lo studio delle superfici solide di materiali conduttori.

Il funzionamento di uno STM è relativamente semplice: variando la distanza tra una punta metallica e la superficie del campione è possibile visualizzare la morfologia delle strutture superficiali e misurare localmente la densità degli stati (spettroscopia locale).

Immagini STM di superfici

Tuttavia, come conseguenza dell’effetto tunnel, gli atomi possono essere visualizzati soltanto come oggetti dalla superficie increspata e non come sfere rigide. Infatti, l’effetto tunnel prevede che avvicinando due atomi tra loro, un elettrone possa saltare da una parte all’altra, poiché i due atomi pur non toccandosi direttamente tra loro vengono ad essere leggermente a contatto in corrispondenza della regione increspata costituita dalla nube elettronica.

L’intensità della corrente di tunnel, estremamente sensibile alla distanza che è presente tra la punta del microscopio e gli atomi di superficie, viene così rilevata da un meccanismo di controllo automatico. In questo modo la punta riesce a seguire il profilo di una fila di atomi ricostruendo la topografia della superficie del campione.