Le nanoscienze

Davide Terzi! Liceo Scientifico F. Lussana Anno Scolastico 2007/2008

Introduzione

L’Espresso

Qualche mese fa lessi un articolo sul giornale che spiegava i notevoli

progressi fatti in questi ultimi anni per riprodurre, in sistemi artificiali, il caratteristico

adattamento ambientale e apprendimento empirico dell’intelligenza umana. Il punto che

mi interessa maggiormente è però la scoperta del ruolo fondamentale degli effetti

quantistici nel rendere possibile il calcolo (sia numerico che logico) su scala

nanoscopica. Infatti, come spiegherò nella seconda sezione di questo lavoro, gli effetti

quantistici sembrano essere l’unica salvezza di un sistema avente velleità di calcolo a

temperatura ambiente (come il nostro cervello del resto). L’utilità derivante dallo

sviluppo di queste conoscenze spazia dalla tecnologia, la costruzione di computer di

nuova concezione adatti a nuovi scopi, alla biologia, addentrandosi nella struttura

fisiologica dei neuroni e sulla tipologia delle loro connessioni. Questo è un argomento

molto complicato che non sono in grado di trattare, invade però un campo vasto e in

ascesa della scienza contemporanea, che mi affascina molto e di cui invece vorrei trattare.

La fondamentale importanza dell’ordine di grandezza, in questo problema in

particolare, mi fece ricordare un’esperienza di stage presso l’Università Statale di Milano

sulle nanotecnologie nell’ambito del programma Nanotech Summer Week ’07 della

Regione Lombardia. Questo lavoro è essenzialmente una rielaborazione degli appunti

presi in quei giorni. Anche il fronte dei materiali nanostrutturati è stato aperto di recente

(quasi mezzo secolo) e è in rapido sviluppo grazie anche ai nuovi microscopi ( o forse

nanoscopi) vedere gli atomi

dovremmo chiamarli che ci permettono di e che sono un vero

fiore all’occhiello della scienza, per come usano teorie apparentemente astratte

formulate nel corso del novecento per fornire immagini formidabili.

Storie Naturali

Nella bellissima ma poco conosciuta raccolta di novelle Primo Levi

narra di una della tante meraviglie tecnologiche immesse sul mercato da una fantomatica

azienda americana. Il Mimete, questo il nome della macchina, duplica documenti, ma non

come una comune fotocopiatrice. Il Mimete ricrea in tutto e per tutto il documento, le

fibre e le imperfezioni della carta, le lacerazioni, le macchie

“in un processo di duplicazione in cui nella esatta posizione di ogni singolo atomo del

modello viene fissato un atomo estratto dalla miscela di alimentazione: carbonio dove era

carbonio, azoto dove era azoto, e così via (...). Si trattava veramente di una tecnica

rivoluzionaria: la sintesi organica a bassa temperatura, l’ordine dal disordine in silenzio,

rapidamente e a buon mercato: il sogno di quattro generazioni di chimici.”

“Ordine a buon mercato” in Einaudi, 1966

Storie Naturali,

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Per ora c’è, di certo, che anche sull’onda di un gigantesco programma di ricerca

lanciato negli USA dall’Amministrazione Clinton all’inizio del 2000 tutti i paesi

industrializzati, incluso il nostro, si stanno attrezzando per affrontare la sfida

nanotecnologica. In tempi relativamente brevi e in alcuni settori specifici l’avvento delle

nanotecnologie porterà a risultati tangibili ed economicamente vantaggiosi. Comunque

per avere vere e proprie macchine molecolari o nanorobot dovremmo aspettare ancora

un decennio.

Il problema che ci si pone più insistentemente quando si tratta di nanoscienze è

l’ordine di grandezza limite sopra il quale possiamo tranquillamente utilizzare la fisica

classica per capire, produrre e riprodurre i fenomeni naturali, e sotto il quale ci si

manifesta l’intrinseca casualità portata dagli effetti quantistici che producono effetti

pressoché inspiegabili.

Il questo lavoro intendo proprio descrivere come gli scienziati si stanno avvicinando

al problema, progettando strumenti sempre più piccoli da un lato, e costruendo atomo

per atomo dall’altro, cercando di capire come si interfaccino il mondo macroscopico e il

relativo substrato nanoscopico che noi stiamo scoprendo solo recentemente.

Il linguaggio che ho deciso di adottare per la stesura di questo testo è quello

semplice e discorsivo, visto che se dovessi addentrarmi nelle diatribe matematiche e

formali delle questioni qui esposte mi troverei quasi subito senza mezzi ne capacità per

sostenere un’esposizione coerente, corretta e attendibile.

Il mio intento non è inanellare una serie di dimostrazioni di fisica o matematica, ma

mostrare lo stato attuale di un ristretto campo della ricerca fisica e delle sue maggiori

applicazioni tecnologiche sfatando il mito della difficoltà della fisica contemporanea:

sicuramente la matematica connessa spaventa tutti, anche noti premi Nobel, ma la

sostanza sul funzionamento della natura può essere spiegata a tutti con un po’ di

esperienza e tanta pazienza.

Certo, se si possiede la retorica e la fantasia di Feynman

1 si è avvantaggiati!

La figura di Richard Feynman sarà ricorrente nel corso di questo lavoro per almeno due motivi: il primo è perché egli ha

1

avuto un ruolo di tutto rispetto anche nelle prime fasi dello sviluppo delle nanoscienze oltre che in svariati altri ambiti della

fisica, teorica e non; il secondo è che la sua personalità era alquanto eccentrica e affascinante, sapeva cogliere gli aspetti

essenziali di un problema e spiegarli in modo semplicissimo con degli esempi. Ritenendo questo il modo migliore di fare

fisica, non posso che elevare la figura di Feynman a guida per il mio lavoro.

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1. Il Mondo Nanoscopico

“Ciò di cui voglio parlare è il problema di manipolare

e controllare le cose su una piccola scala. Appena

accenno a questo, la gente mi parla della

miniaturizzazione e di quanti progressi si siano fatti

oggi. Mi parlano di motori elettrici grandi quanto

l’unghia del vostro mignolo (...). Ma questo non è

niente; è il passo più primitivo nella direzione che

intendo discutere (...). Quando nel 2000 la gente

guarderà indietro, si chiederà perché si sia arrivati al

1960 prima di muoversi seriamente in questa direzione. Ma

non mi spaventa affrontare anche la questione finale,

cioè se - in un lontano futuro - potremo sistemare gli

atomi nel modo in cui vogliamo; proprio i singoli atomi,

al fondo della scala! (...) Per quanto ne so, i principi

della fisica non impediscono di manipolare le cose atomo

per atomo. Non è un tentativo di violare alcuna legge; è

qualcosa che in principio può essere fatto, ma che in

pratica non è successo perchè siamo troppo grandi.”

Tratto dal discorso pronunciato il 29 dicembre 1959 da

Richard Feynman al CalTech durante la riunione annuale

della American Physical Society e considerato l’atto di

nascita ufficiale delle nanotecnologie.

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1.1 Considerazioni Generali

Il termine nanoteconlogia indica la capacità di manipolare la materia a livello

nanometro,

atomico e molecolare e deriva da un miliardesimo di metro, una dimensione

in cui stanno non più di sei atomi di carbonio; una dimensione, tanto per darne un’ idea,

200 000 volte più piccola dello spessore di un capello. Tanto piccolo ma non troppo! I

fisici si occupano da sempre di dimensioni ancora più piccole quando studiano le

particelle elementari interne agli atomi ed ai loro nuclei. Per avere comunque un’ idea,

basti pensare che affinché una struttura di dimensioni nanometriche sia osservabile ad

occhio nudo nei suoi minuti particolari occorre ingrandirla 10 milioni di volte.

Vi sono due strade maestre per accedere al mondo delle nanotecnologie:

1. La fabbricazione molecolare; questo comporta la manipolazione dei singoli atomi

(dal componente elementare alla struttura complessa). Questo processo è chiamato

bottom-up e è il traguardo verso cui sono rivolte tutte le forze scientifiche e

ingegneristiche al momento poiché è la strada che offre le maggiori prospettive di

sviluppo pratico e ci permetterebbe di costruire manufatti nello stesso modo con cui la

natura si auto-plasma.

2. L’ultraminiaturizzazione, con cui si producono dispositivi sempre più piccoli (dalla

top-down

struttura complessa al componente elementare). Questo processo è chiamato

e rappresenta la strada utilizzata finora in primo luogo nella progettazione e

costruzione di unità computazionali e dispositivi elettronici sempre più potenti ma

soprattutto efficienti in termini energetici. Attualmente stiamo raggiungendo il limite

fisico disponibile per questa modalità di ingegneria su scala nanometrica.

Le nanotecnologie sono una scienza realmente multidisciplinare. Gli scienziati dei

materiali, gli ingegneri meccanici ed elettronici e i ricercatori in campo medico lavorano

in coordinamento con fisici, biologi e chimici. La ricerca su scala nanometrica è

accomuntata dal bisogno degli scienziati di scambiare le conoscenze riguardanti gli

strumenti, le tecniche e le interazioni atomiche e molecolari che si producono in questa

nuova frontiera della scienza. Nuovi potenti concetti e capacità, come l’elaborazione di

immagini e la manipolazione su scala atomica, l’autoassemblaggio, i rapporti tra struttura

biologica e funzioni biologiche (di cui tratterò nella seconda sezione), insieme con

strumenti di calcolo sempre più potenti, stanno convergendo rapidamente nel campo

delle nanoscienze da diversi ambiti di ricerca prima separati. La ricerca interdisciplinare

a lungo termine riguarderà lo sviluppo della conoscenza fondamentale fino alla creazione

di nuovi materiali, di nuovi strumenti di manipolazione degli atomi e di applicazioni

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industriali all’avanguardia. Si stanno mettendo in particolare risalto lo studio dei nuovi

materiali intelligenti e la Nanobiotecnologia. Questa potente associazione di scienza dei

materiali e bioteconologia produrrà processi e industrie completamente nuovi.

Il legame tra le nanotecnologie e la vita è un punto critico sul quale insisterò nel

corso di questo testo. Infatti è impossibile non notare come tutti sistemi biologici, dai più

paramecio uomo

semplici come il ai più complessi come l’ abbiano bisogno dell’attività

frenetica delle loro componenti microscopiche (le cellule) e nanoscopiche ( i ribosomi, i

mitocondri e gli altri organuli che rendono la cellulla il mattone della vita).

Ad esempio i cloroplasti presenti nelle foglie e nei fusti della piante erbacee e che ne

permettono la fotosintesi. I cloroplasti si presentano generalmente come dischi piatti del

2-10 micrometri e spessi circa 1 micrometro.

diametro di Il cloroplasto è delimitato da

due membrane; la membrana esterna è

permeabile per la maggior parte delle

molecole, mentre quella interna è

decisamente più selettiva ed è

attraversata da proteine di trasporto

specifiche. I due doppi strati lipidici

sono separati da uno spazio. Il fluido

stroma:

interno al cloroplasto è chiamato

esso contiene molti enzimi coinvolti nel

metabolismo dell’organulo, il DNA

circolare e i ribosomi. All’interno del

cloroplasto ci sono delle piccolissime

membrane sovrapposte chiamate tilacoidi che contengono clorofilla.

I cloroplasti sono direttamente coinvolti nella fotosintesi clorofilliana, che è un

processo chimico che trasforma l’energia trasportata da una parte della radiazione solare

in energia chimica sottoforma di glucosio. La cosa che a noi interessa però è che il

complicato processo mediante il quale ciò avviene è inspiegabile se non si conoscono i

risultati delle ipotesi quantistiche: infatti i due fotosistemi che eseguono la fotosintesi

( uno assorbe una lunghezza d’onda di 700nm, mentre l’altro di 680nm) sono composti

da molecole di clorofilla i cui atomi sono bombardati dai fotoni provenienti dal sole,

causando la promozione dei loro elettroni da un orbitale a bassa energia a uno a energia

maggiore. Questa situazione, chiaramente instabile, viene ristabilizzata con il passaggio