Introduzione alle nanotecnologie

Introduzione alle nanotecnologie

Il 29 dicembre 1959 il fisico americano Richard Feynman, uno dei padri dell'elettrodinamica quantistica (QED), tenne un famoso discorso presso il Caltech (California Institute of Technology), dal titolo "There's plenty of room at the bottom" ("C'è un sacco di spazio laggiù in fondo"), in cui predisse che l'uomo, di lì a poco tempo, sarebbe stato in grado di manipolare la materia a livello di singolo atomo, dando così l'avvio al dibattito teorico su quel "new field of Physics" (un nuovo campo della fisica), conosciuto con il nome di nanotecnologie (termine coniato da Drexler nel 1975).

Cito un breve brano tratto da quella conferenza: "Non ho paura di affrontare la domanda finale cioè se alla fine, nel grande futuro che ci aspetta, saremo in grado di disporre gli atomi nel modo che vogliamo; proprio gli atomi, laggiù in fondo! Che cosa accadrebbe se potessimo disporre gli atomi uno per uno come vogliamo (in posizioni chimicamente stabili)". Di seguito linko la trascrizione originale dell'intervento di Feynman: link

Le nanoscienze studiano le proprietà della materia con dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri (1nm = 10^-9m), allo scopo di comprendere come essa si comporti e possa interagire con altri sistemi materiali, dando luogo a sistemi più complessi e con proprietà nuove. Nel campo dell'elettronica, le nanotecnologie hanno consentito la costruzione di componenti elettronici sempre più piccoli, da cui si sono sviluppati i chip, nei quali occorre monitorare la crescita di strati di materiale a spessore nanometrico, e i microprocessori.

In biologia, grazie soprattutto alla disponibilità di nuovi strumenti microscopici come i microscopi a scansione ad effetto tunnel (STM), è stato possibile analizzare le proprietà di biomolecole come il DNA e le proteine (studi che hanno portato allo sviluppo della nano-bioelettronica, cioè all'utilizzo di nanosistemi biologici in applicazioni di nanoelettronica). Nella nanomedicina, le nanoparticelle possono essere efficacemente utilizzate come particelle-vettore in grado di curare alcune patologie tumorali.

Sulle leggi della fisica quantistica sono basati i diodi laser (utilizzati nella propagazione guidata nelle fibre ottiche in quanto producono luce coerente, a differenza dei LED che producono, invece, luce incoerente), dispositivi optoelettronici progettati per emettere luce ad una determinata frequenza. Grazie alla chimica supramolecolare, sono state costruite delle nanomacchine molecolari in grado di compiere, quando opportunamente stimolate, movimenti nanometrici. link

Un esempio in questo campo è il cosiddetto "ascensore molecolare", ossia un sistema supramolecolare in cui, variando il pH della soluzione, è possibile far spostare la piattaforma molecolare verso il basso o verso l'alto, a distanze nanometriche. link

In ambito teorico, le nanotecnologie hanno permesso lo studio di nuovi scenari, in cui la materia si comporta in modo strano. Si è notato che il comportamento della materia in due dimensioni è nettamente diverso da quello in tre dimensioni: elettroni che vengono confinati su di un piano e sottoposti a campi magnetici si muovono in maniera assolutamente coordinata, come se danzassero all'unisono.

I fisici della materia condensata (Landau, in particolare) hanno dato un nome a queste particelle interagenti, le hanno chiamate quasi-particelle (con una carica che è un terzo della carica elementare): l'elettrone, nello stato entangled, è una quasi-particella. link

Possiamo affermare che le nanoscienze costituiscono il punto in cui la ricerca pura, la fisica, la chimica e la biologia, e la ricerca industriale, nel campo della scienza dei materiali, della medicina, dell'energetica e così via, convergono. Lo sviluppo delle conoscenze nell'ambito delle nanoscienze e delle nanotecnologie è inevitabilmente legato all'integrazione di diverse competenze in diversi settori del sapere scientifico e tecnologico.

P.S. Da un punto di vista strettamente teorico, le tecnologie alla nanoscala riguardano processi basati sul confinamento quantistico, governato dal principio di indeterminazione di Heisenberg: all'interno di un sistema materiale composto di circa 1000 atomi si verificano fenomeni di confinamento quantico. A quella scala, da qualche nanometro fino ad arrivare alle dimensioni del singolo atomo (0.1nm), le proprietà del sistema dipendono fortemente dalle dimensioni. Una particella, ad esempio, può diventare trasparente, senza alterare la composizione chimica ma agendo soltanto sulle dimensioni. link

Alcune osservazioni

Il settore della nanomedicina è uno tra i più fecondi nell'ambito delle applicazioni nanotecnologiche ma è necessario, prima di prevedere l'utilizzo in massa delle nanoparticelle e dei nanomateriali in campo clinico, comprendere a fondo le interazioni, inevitabilmente complesse dato che dipendono anche dalle piccole dimensioni di queste sostanze, dei nanosistemi con i tessuti biologici e con l'ambiente.

È vero che, nel passaggio dalla teoria alla produzione di un prototipo funzionante, il passo è spesso molto lungo: viene in mente l'esempio del "diodo molecolare", che venne ideato negli anni Cinquanta e il cui prototipo è stato costruito solo negli anni Novanta. link

Attualmente la ricerca è orientata su una metodologia che usa un approccio "bottom-up", che consiste nella realizzazione di strutture nanometriche assemblando chimicamente componenti a dimensioni nanometriche. Si intuisce quanto, in questo caso, sia importante lo studio della natura per comprenderne i diversi gradi di organizzazione, dal più semplice, come le basi del DNA o le catene di amminoacidi, al più complesso, come quello cellulare.

D'altronde, alla nanoscala le leggi della fisica quantistica diventano predominanti e ciò porta naturalmente a parlare di un settore che rappresenta uno dei campi di maggior sviluppo, attuale e futuro, delle applicazioni nanotecnologiche: quello della computazione quantistica. Il qubit, l'unità base dell'informazione, può trovarsi in una sovrapposizione dello stato 0 e dello stato 1. Usando i qubit è possibile risolvere alcuni problemi, come ad esempio la fattorizzazione di un numero primo, importante in crittografia, in modo molto più rapido rispetto ai tradizionali computer elettronici.

Il rovescio della medaglia è che il sistema, interagendo con l'ambiente circostante, fa perdere ai qubit il loro comportamento, che è intrinsecamente quantistico. Si tratta di un problema molto complesso e molti studiosi ritengono che la soluzione potrebbe provenire proprio dai nanomateriali. P.S. Feynman ha mostrato grande intuito nel concepire l'impostazione top-down (cioè partire da sistemi macroscopici e arrivare alla realizzazione di strutture nanometriche), attualmente la metodologia più consolidata, che ha portato a risultati fecondi, come la costruzione di testine per dischi rigidi, basata sul fenomeno della "magnetoresistenza gigante" (Premio Nobel per la Fisica a Fert e Grunberg nel 2007), ma conveniamo che egli non abbia ricoperto un ruolo di primo piano nello sviluppo delle nanoscienze.

Per ciò che concerne la manipolazione dei singoli atomi, essa è stata resa possibile dall'invenzione del microscopio a scansione ad effetto tunnel (Premio Nobel per la Fisica a Binnig e a Rohrer nel 1986), strumento largamente utilizzato nella fisica delle superfici, mentre il microscopio a forza atomica (AFM) è per lo più usato in biologia e topografia. Ritengo che il panorama che le nanoscienze e le nanotecnologie hanno aperto sia, in prospettiva futura, immenso e non è difficile prevedere che, entro questo secolo, ci saranno sviluppi rilevanti sia nell'ambito della conoscenza scientifica pura sia sotto il profilo tecnologico, che pervaderà tutti i settori produttivi, a partire dalla medicina e dall'elettronica fino ad arrivare all'ingegneria energetica e ambientale.

È necessario, però, un approccio interdisciplinare alla conoscenza delle nanoscienze, che coinvolga competenze di fisica e chimica di base, scienza dei materiali, elettronica e così via.

Jean Bartik e l'ENIAC

Nel 1945, a soli vent'anni, Jean Bartik, da poco diplomata in matematica all'Università del Missouri, venne assunta, con la qualifica professionale di "Computer", presso i laboratori di ricerca balistica dell'esercito degli Stati Uniti a Philadelphia, insieme ad altre giovani matematiche, per compilare le "tabelle di fuoco" (o "tavole di tiro") dell'artiglieria che venivano utilizzate per i calcoli delle traiettorie dei proiettili. link

L'anno seguente, nel 1946, l'esercito propose a Jean e ad altre cinque matematiche (tra cui Antonelli, Teitelbaum e Spence) di entrare a far parte di un progetto segreto, denominato "Project PX": si trattava dell'ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator), il primo calcolatore di tipo "general purpose" completamente elettronico della storia. Jean e le altre colleghe del suo gruppo diventarono così le prime grandi pioniere della programmazione. link

Per poter funzionare, l'ENIAC aveva bisogno di 200kW di potenza (la prima volta che fu attivato ci fu un blackout di corrente in alcuni quartieri di Philadelphia ma probabilmente si tratta di una leggenda metropolitana) e il codice non veniva inserito tramite una tastiera, come accade oggi, ma agendo manualmente su migliaia di interruttori. link

La caratteristica fondamentale dell'ENIAC era la sua velocità: le traiettorie stimate duravano, per la prima volta, più del tempo di calcolo impiegato. L'ENIAC impiegava 18000 valvole termoioniche, ancora oggi utilizzate negli impianti amplificati ad alta fedeltà, e un numero enorme di resistori e condensatori; l'intera struttura occupava circa 180 m², l'equivalente della superficie di un grande appartamento. link

Un anno più tardi, nel 1947, i tre fisici americani Shockley, Bardeen e Brattain (premio Nobel per la Fisica nel 1956) scoprirono l'effetto transistor, dando inizio alla tecnologia dei semiconduttori che ha reso possibile la miniaturizzazione e l'integrazione, sempre più spinta, dei componenti elettronici. link

Il linguaggio parlato da un microprocessore è quello binario, sia che si tratti di fare dei calcoli che di ascoltare musica.