Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
vuoi
o PayPal
tutte le volte che vuoi
La seguente tesina di maturità tratta del tema delle grandezze del nanomondo. 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).
Collegamenti
Grandezze del Nanomondo, tesina
Chimica - Colloidi, cluster, struttura della materia.
Fisica - Stati di aggregazione/Fisica quantistica- Effetto tunnel, Principio di indeterminazione.
Biologia - Esempi in natura: geco, foglie di loto
Informatica - Nanorobot
Inglese - Articolo scientifico del New York Times
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