Grandezze del Nanomondo, tesina

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 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

⍺

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-

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

Andrea Rocchi 5B LST

Le Grandezze del Nanomondo

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).

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 IMMAGINI STM DI SUPERFICI

del campione è possibile visualizzare la morfologia delle strutture superficiali e

misurare localmente la densità degli stati (spettroscopia locale). 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. Con un microscopio STM si possono raggiungere delle

precisioni molto elevate ed ottenere degli ingrandimenti fino a 100 milioni di volte

di atomi di superficie.

Si è osservato, inoltre, che il

microscopio ad effetto tunnel può

essere utilizzato come un vero e

proprio strumento per intervenire

su materiali conduttori a livello

atomico e molecolare. Ciò significa