Nanoscienze e nanotecnologie

Francesca Rizzetto

V Es Nanoscienze e nanotecnologie

Il futuro del mondo a m

−9

10

“Si in fondo”

Va a fondo, quando si va 1

Figura 1 nanofili di carbonio semiconduttori

Percorso multidisciplinare sulle nanotecnologie

Candidata: Francesca Rizzetto V Es

Anno scolastico 2010-11

1 Friederich Nietsche, aforisma n° 6 de “La volontà di potenza” 1

Francesca Rizzetto

V Es

Indice

• Introduzione al nanomondo: cosa sono le nanotecnologie, quali sono i vantaggi
• Strumenti di analisi: dal microscopio ottico alla sonda a scansione
• La nascita delle nanotecnologie: “There’s plenty of room at the bottom” (Richard Feynman) “Engines of creation: the coming era of nanotechnology” (E. Drexler)
• Nanotecnologie in natura: il geco
• I flagella
• La biomineralizzazione
• I due approcci: bottom-up e top down
• Tecniche nano: fotolitografia
• Litografia a fasci di elettroni
• Autoassemblaggio
• Litografia dip-pen
• La fisica che regola il nanomondo: cenni di fisica quantistica
• Dispositivi nano: nanocristalli
• Punti quantici
• Nanomagneti
• Fullereni e nanotubi di carbonio
• Applicazioni: nanomedicina (terapia antitumorale, protesi, nuovi farmaci, diagnosi precoci, etc.)
• Industria agroalimentare ed ambiente
• Tra volontà di potenza e rischi
• Guidelines in the EU 2

Francesca Rizzetto

V Es

Introduzione al nanomondo: cosa sono le nanotecnologie, quali sono i vantaggi

Il prefisso nano- deriva dal termine greco “nânos”, che potremmo tradurre come “minuscolo”.

Con il termine nanotecnologie ci si riferisce allo studio, alla manipolazione ed all’organizzazione della materia su scala atomico-molecolare (la larghezza del DNA è di circa 2,5 nm) o, in altri termini, nanometrica, laddove 1 nm = m.

−9

10

Tuttavia per parlare di vere e proprie nanostrutture occorrono altre due caratteristiche: la riproducibilità e l’organizzazione ordinata.

La nascita delle nanotecnologie (ricordando che sono le nanoscienze ad essere figlie delle nanotecnologie e non viceversa) si può far risalire al 1959. In tale data infatti, il fisico statunitense Richard Feynman pronunziò il celebre discorso “There’s plenty of room at the bottom” (“C’è un sacco di spazio là sotto”), nel quale per la prima volta si ipotizza di poter manipolare particelle, un dispositivo o quant’altro avente almeno una dimensione compresa tra 1-100 nm.

L’evento che determina una concretizzazione dell’idea di R. Feynman è da attribuirsi a G. Binning e H. Roher (insigniti del premio Nobel per la fisica nel 1986). I due fisici, all’epoca impiegati presso la “IBM” di Zurigo, mettono a punto un nuovo strumento denominato “Scanning tunneling microscope” (STM). Il microscopio a effetto tunnel, che permette di rilevare anche minime rugosità sfruttando l’effetto tunnel, è stato un potenziamento necessario senza il quale oggi sarebbe impossibile operare servendoci di dispositivi che contengono un numero di atomi compreso tra qualche decina e qualche centinaia di unità.

Tre anni dopo, nel 1986, negli stessi laboratori viene sperimentato l’Atomic Force Microscope (AFM), che rappresenta un’evoluzione dell’STM.

Il primo successo concreto risale invece al 1989: più di vent’anni fa D. Eigler perfeziona lo Scanning Tunneling Microscope, che non consente più soltanto di vedere gli atomi ma anche di spostarli con una elevatissima risoluzione nel posizionamento.

Eigler dispone quindi 35 atomi di xeno su uno strato di nichel, riproducendovi il logo della IBM.

La ragione alla base dell’importanza delle nanotecnologie concerne il rapporto tra volume e superficie: nelle particelle micrometriche (e ancor di più in quelle macroscopiche) tale rapporto è molto elevato, mentre nel caso delle particelle nanometriche i due valori sono quasi coincidenti. Pertanto, a questa scala (alla quale vigono le leggi della meccanica quantistica), le proprietà chimico-fisiche di taluni elementi subiscono delle sensibili modificazioni.

Esemplificativo è il caso dei maestri vetrai tedeschi, che nel XIII secolo si distinguevano per la colorazione dei vetri delle proprie cattedrali. Gli artigiani facevano infatti precipitare un sale di oro (elemento chimicamente inerte) da una soluzione acquosa in presenza di sferette di silice vetrosa con un diametro di circa un decimo di micron. Questo permetteva di ottenere una polvere d’oro le cui particelle nanometriche andavano a rivestire le sferette di vetro.

Tali “nanoconchiglie” coloravano la soluzione, mostrando che l’oro, sulla nanoscala, assume proprietà fisiche totalmente differenti da quelle che ci si aspetterebbe a livello macroscopico. 3

Francesca Rizzetto

V Es

Le nanotecnologie confermano la validità della legge formulata nel 1967 da Gordon Moore (cofondatore INTEL), secondo il quale negli anni successivi la capacità dei microchip sarebbe raddoppiata costantemente ogni 18 mesi. Secondo le ipotesi di alcuni studiosi, presto il progresso della tecnologia supererà persino le previsioni (sino ad ora dimostratesi sempre esatte) dell’imprenditore statunitense, schematizzate nel grafico in figura 2.

Purtroppo però, questo porta con sé anche le conseguenze della II Legge di Moore, che prevede che ogni diminuzione delle dimensioni strutturali comporti un aumento dei costi degli impianti di produzione, secondo una dipendenza di inversa proporzionalità tra dimensioni e costi.

Tuttavia i vantaggi delle nanotecnologie superano ampiamente le conseguenze del loro possibile impatto economico. Per questo molti settori di ricerca investono in questo campo, facendo delle nanoscienze un settore multidisciplinare.

Le possibili applicazioni toccano i più svariati ambiti: dall’agroalimentare all’ambiente, dai mezzi di trasporto alla farmaceutica e al biomedicale, dall’elettronica alla chimica, passando per le tecnologie dell’informazione.

Figura 2: I legge di Moore

La nascita delle nanotecnologie: “There’s plenty of room at the bottom” (Richard Feynman) e “Engines of creation: the coming era of nanotechnology” (Eric Drexler)

La nascita delle nanotecnologie è da attribuirsi al grande fisico statunitense R. Feynman (1918-1988). Il 29 dicembre 1959, in occasione del meeting annuale della “American Physical Society” presso il California Institute of Technology (CALTECH), Feynman tiene un discorso noto con il titolo “There’s plenty of room at the bottom” (= “C’è un sacco di spazio giù in fondo”). Questa conferenza, che garantirà al suo autore

4

Francesca Rizzetto

V Es

Il premio Nobel per la fisica nel 1965, vanta un titolo chiaramente provocatorio, che mira a spingere gli scienziati ad esplorare il mondo dell’infinitamente piccolo.

La lezione, che possiamo leggere ancora oggi in quanto è stata trascritta, può essere considerata il manifesto di un nuovo campo di pertinenza scientifica: le nanotecnologie. Il fisico americano infatti ipotizza per la prima volta di poter manipolare la materia in forma di particelle nanoscopiche (e dunque dalla taglia atomico molecolare).

Questo in realtà non è sufficiente per considerare Feynman il padre delle nano scienze, in quanto idee simili avevano già affascinato le menti di numerosi scrittori di fantascienza, ma gli va senza alcun dubbio reso il merito di aver elaborato queste idee (all’epoca da considerarsi quantomeno bizzarre) a partire da dati scientifici.

Feynman avanza alcune ipotesi estremamente innovative, quali la possibilità di realizzare computer dotati di circuiti di dimensioni ridotte (attorno al centinaio di atomi). Il capostipite del nanomondo però, viene anche ricordato per la sua idea di scrivere i 24 volumi completi dell’Enciclopedia Britannica sulla capocchia di uno spillo (ovvero riducendola, in scala, di 25000 volte), obiettivo che secondo l’autore stesso poteva già essere realizzato con le tecniche sino ad allora conosciute ma che sarebbe stato ancora più semplice con il futuro progresso della miniaturizzazione.

Tuttavia ciò che più gli preme è la necessità di migliorare la risoluzione dei già esistenti microscopi elettronici al fine di poter vedere i singoli atomi (cosa che non molto tempo dopo sarà resa possibile grazie alla scoperta di STM e AFM).

Inoltre lo studioso propone anche la vaga ipotesi di poter “ingoiare un dottore”, cosa che (anche se non in questi termini) sarà ben presto realtà grazie agli studi sui nanorobot da impiantare nel corpo umano per monitorare costantemente i parametri del sangue e somministrare la terapia qualora necessario.

Feynman è perfettamente conscio di quanto alcune di queste congetture (o in alcuni casi previsioni) possano apparire iperboliche, ma è anche consapevole del fatto che le “nanotecnologie” sono il futuro, perché al diminuire delle dimensioni l’influenza della gravità decresce e quella delle forze di Van der Waals aumenta.

Per questo il fisico statunitense, confidando nell’applicabilità delle proprie idee lancia due sfide, mettendo in palio un premio da 1000 $ per ciascuna: costruire un motore di dimensioni ridotte e scrivere una pagina di libro riducendone le dimensioni di 25000 volte.

Il primo viene assegnato nel 1960 allo studente William McLellan, per la realizzazione di un motore elettrico del peso di ¼ di gr (questo motore tuttavia, pur rispettando la scala richiesta da Feynman, risulta irrilevante per il progresso scientifico).

Per il secondo invece si dovrà attendere il 1985, quando il dottorando di Stanford Tom Newman, scrive il primo paragrafo del romanzo storico di C. Dickens “Racconto di due città” servendosi di un

−¿

fascio di .

¿

e

Feynman si può dunque considerare l’autore di quella che potrebbe diventare la III Rivoluzione Industriale, figlia delle leggi della meccanica quantistica.

Il fatto curioso però, è che Richard Feynman nel corso della conferenza non utilizza mai il termine “nanotecnologie”, che verrà coniato nel 1986 dall’ingegnere statunitense Eric Drexler nella sua opera “Engines of creation: the coming era of nanotechnology” (= “Motori di creazione: l’era prossima della nanotecnologia”).

Drexler riprende le idee di Feynman ma introduce dei nuovi concetti. Per esempio suggerisce la possibilità di replicare l’intera Biblioteca del Congresso in un chip delle dimensioni di una zolletta di zucchero, ma soprattutto parla di meccanismi in grado di auto-replicarsi.

Oggi questa è l’ultima frontiera della ricerca sulle nanotecnologie e anche la più controversa per i problemi bioetici che ne conseguono: in realtà non ci sono delle ragionevoli motivazioni per temere l’auto-replicazione.

Infatti pensare che i nano materiali possano costituire una vera e propria forma di vita in grado di riprodursi è quantomeno assurdo, in quanto si tratterebbe in ogni caso di un processo guidato dall’uomo (e per questo dotato anche di un margine di errore molto ampio) e non di un processo biologico e genetico.

Strumenti di analisi: dal microscopio ottico alla sonda a scansione

Come abbiamo visto la nascita delle nanotecnologie va fatta risalire al 1959, con il discorso “There’s plenty of room at the bottom” di R. Feynman e l’origine del termine soltanto al 1986, grazie all’intuizione di E. Drexler. Tuttavia per risalire alle basi dell’interesse per la miniaturizzazione dobbiamo arretrare un po’ lungo la linea del tempo.

A partire da circa 2400 anni fa l’uomo comincia ad interessarsi al mondo dell’infinitamente piccolo e alla composizione della materia. In quegli anni Democrito afferma che il mondo materiale in cui viviamo è costituito da atomi. Dovremo attendere molto tempo prima che questa ipotesi venga verificata sperimentalmente.

Tuttavia già nel primo secolo a.C. tale idea viene ripresa dal poeta latino Lucrezio, il quale afferma che l’universo è costituito da un infinito numero di particelle indivisibili, indeformabili e impenetrabili, che chiama atomi.

Altrettanto interessanti e degne di nota sono le informazioni che possediamo grazie al teatro greco di Aristofane ed in particolare a “Le nuvole” (423 a.C). Grazie a tale fonte sappiamo che la forma e la proprietà di una lente erano ben note già a quel tempo ed erano persino vendute in una comune spezieria.

Nelle Naturales Quaestiones di Seneca (64 d.C.) leggiamo le seguenti parole:

“Si fanno degli specchi che ingrandiscono ogni corpo che riflettono. Aggiungerò che tutto appare più grande a chi guarda attraverso l’acqua: le lettere, per quanto piccole e indistinte, attraverso una sfera di vetro piena d’acqua si vedono molto più nitidamente”.

E’ trascorso molto tempo da allora prima che, nel 1590, si potesse realizzare una prima forma di rudimentale microscopio ottico.

Tuttavia il microscopio ottico non consente di analizzare la materia a livello nanoscopico. Tale limite è dovuto al fatto che il microscopio ottico sfrutta la luce, le cui proprietà determinano il limite di diffrazione di Abbey.

Questa problematica si presenta quando si vuole guardare la superficie di un oggetto di dimensioni comparabili (se non inferiori) a quelle della lunghezza d’onda (λ). Ciò accade perché il diametro del disco di Airy viene descritto dalla seguente equazione:

λ

D=1,22 ∙ NA

(dove NA indica l’Apertura Numerica, un valore che dipende dalle caratteristiche del microscopio ma che è sempre <1)

Ricordiamo che il disco di Airy è il segnale luminoso in cui, in un microscopio ottico, viene convertito un oggetto puntiforme.

Tale disco assume intensità massima al centro e decresce allontanandosi da esso sino ad annullarsi ai bordi. Esso inoltre è circondato da anelli concentrici di intensità decrescente. 6

Francesca Rizzetto

V Es

Se la distanza tra due oggetti puntiformi è <D le due immagini risulteranno

D

<

d

Parzialmente sovrapposte, mentre se saranno visibili come un unico oggetto.

2

Dall’evidenza sperimentale risulta che il limite di diffrazione di Abbe, che varia in base al valore di λ, per la luce visibile può essere posto in media a circa 200 nm.

Per questo si cerca di ovviare al problema ricercando una nuova soluzione: è in questo modo che nel 1931 nasce il microscopio elettronico a trasmissione (TEM, dall’inglese “Transmission Electron Microscope”).

Sono trascorsi solo 40 anni ed E. Ruska (dottorando in Ingegneria Elettronica presso l’Università di Berlino) trova un modo per studiare i componenti della materia senza utilizzare la luce.

Il microscopio elettronico a trasmissione infatti utilizza un fascio di elettroni ad alta energia focalizzati sul

⃗

campione sfruttando un campo elettrico:

E

quantistica e del dualismo onda-particella. Il fascio di elettroni attraversa il campione da analizzare e ne proietta l’immagine su uno schermo fluorescente.

L’evoluzione del TEM viene elaborata nel 1940 circa da V. Zworking nei laboratori RCA (USA) e prende il nome di microscopio elettronico a scansione (SEM, Scanning Electron Microscope).

Il vantaggio del microscopio a scansione rispetto a quello a trasmissione consiste nella possibilità di ottenere un’immagine tridimensionale,

⃗

mentre la differenza nel funzionamento è data dall’utilizzo di un campo elettrico E variabile anziché uniforme (= costante in modulo, direzione e verso).

Tuttavia nemmeno la microscopia elettronica mostra di avere delle caratteristiche che si confacciano all’analisi e allo studio della materia a livello nanometrico.

Infatti i limiti della microscopia elettronica sono dovuti al fatto che richiede due particolari condizioni: innanzitutto il fascio di elettroni deve essere generato in condizioni di vuoto elevato (quindi ad una pressione compresa tra e Pascal).

−1 −5

10 10

Inoltre il campione in analisi deve presentare uno specifico livello di conduttività, in quanto in caso contrario le sue particelle si potrebbero caricare elettricamente durante la scansione, deviando il fascio di elettroni.

Questo rende i campioni biologici inadatti ad essere studiati mediante l’utilizzo di un dispositivo SEM o TEM.

Va inoltre aggiunto che l’immagine ottenibile è un’immagine che va dal bianco al nero, passando per diverse gradazioni di grigio, in quanto l’immagine non contiene informazioni sul colore.

Per questo gli studi continuano ma negli anni ’80 la novità: nasce un nuovo tipo di microscopia che consente di vedere gli atomi sulle superfici utilizzando dei materiali semplici e relativamente economici.

Si tratta della microscopia a sonda di scansione.

Per comprendere il funzionamento della sonda a scansione dobbiamo fare prima una piccola introduzione sui materiali piezoelettrici (materiali che trasformano energia elettrica in energia meccanica e viceversa).

Infatti applicando un campo elettrico alle estremità di un materiale piezoelettrico questo si deforma: in particolare si accorcia se il verso del campo elettrico è opposto rispetto a quello di polarizzazione del materiale e si allunga nel caso contrario.

Questo effetto prende il nome di effetto piezoelettrico e controllando l’intensità del campo si può controllare la deformazione.