Le nanoscienze

Esame di Stato 2008

Approfondimento personale per il colloquio d’esame

Davide Terzi

Classe 5M

Anno scolastico 2007/2008

Liceo Scientifico F. Lussana, Bergamo

5 luglio 2008

Indice generale

Introduzione (pg. 5)

Il mondo nanoscopico (pg. 7)

Considerazioni generali (pg. 8)

Un po’ di storia (pg. 11)

Gli strumenti del mestiere: SEM (pg. 13)

Gli strumenti del mestiere: STM e AFM (pg. 16)

Applicazioni: nanocatalizzatori ad alta selettività (pg. 20)

Bibliografia (pg. 22)

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Le nanoscienze

“There’s plenty of room at the bottom!”

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“... a biological system can be

exceedingly small. Many of the cells are

very tiny, but they

are active; they

manufacture

substances; they walk

around; they wiggle;

and they do all kind

of marvelous things

all on a very small

scale. Also, they

store information.

Consider the

possibility that we

too can make a thing

very small which does what we want; that we

can manufacture an object that maneuver at

that level!”

Richard P. Feynman

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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) ed 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 delle 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 né 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 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 perché 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 nanotecnologia indica la capacità di manipolare la materia a livello nanometrico, 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 e ai loro nuclei.