nanotecnologìa
nanotecnologìa Insieme delle conoscenze e delle tecniche relative alle nanostrutture, agglomerati molecolari artificialmente creati con gli scopi più diversi: per es. cura di malattie, costruzione di materiali innovativi, miglioramento dei processi produttivi. Tali oggetti si caratterizzano per le dimensioni che sono dell'ordine del miliardesimo di metro.
nanotecnologia - approfondimentodi Andrea Carobene
Le nanotecnologie consentono di modificare le proprietà della materia intervenendo direttamente su singole molecole e persino su pochi atomi. È stato possibile realizzare questa rivoluzione sulla base delle nuove tecniche di microscopia, che hanno superato i limiti dei microscopi ottici, che per loro natura non possono vedere oggetti più piccoli della lunghezza d'onda della luce, vale a dire attorno ai 400 nm. Tra gli apparati microscopici più utilizzati per le nanotecnologie vi sono gli strumenti a scansione di sonda, come per esempio lo STM (scanning tunnel microscope). Queste sonde permettono non solo di esplorare i singoli atomi, ma anche di manipolarli e di spostarli.Le applicazioni delle nanotecnologieLe nanotecnologie vanno ben oltre le tecniche per realizzare le comuni reazioni chimiche, con le quali si sintetizzano molecole sconosciute con meccanismi che riguardano moltitudini di individui. La manipolazione 'individuale' delle molecole le trasforma direttamente da un tipo in un altro, operando come se si avessero a disposizione i piccoli mattoni di un gioco di costruzione da assemblare a piacere. Non stupisce quindi che il settore delle nanotecnologie sia in piena espansione e che molte industrie stiano scommettendo sui nuovi prodotti che esse permettono di creare.
Le applicazioni sono molteplici e vanno dalla metallurgia all'elettronica, dalla farmacologia alla fisica dei materiali. Sono state realizzate per esempio strutture molecolari molto più leggere dei metalli, ma con le stesse, se non migliori, caratteristiche di resistenza meccanica o di conducibilità elettrica. Oppure, attualmente sono allo studio nuove molecole di interesse farmacologico in grado, grazie alla loro struttura, di colpire selettivamente le cellule malate dell'organismo risparmiando quelle sane. Già oggi esistono in commercio materiali frutto di ricerche di questo tipo, tra i quali superfici battericide o ignifughe. Le nanotecnologie sono anche utilizzate per combattere l'inquinamento, per es. per produrre catalizzatori industriali più efficienti in modo da ridurre la dispersione di sostanze tossiche nell'ambiente o per costruire serbatoi capaci di trattenere meglio l'idrogeno da usare nelle celle a combustibile.
Nel settore della nanoelettronica si prevede che queste tecnologie possano trovare applicazione nella realizzazione di supporti per la memorizzazione molto più capienti degli attuali e che, per es., riescano a connettere direttamente i chip basati sui semiconduttori alle memorie magnetiche, aumentando così la velocità di elaborazione dei computer. Un altro settore particolarmente interessante è offerto dalle micro o nanomacchine: apparecchi meccanici composti solo da alcune molecole che possono assolvere una pluralità di compiti, aiutando per es. ad assemblare sulla scala del millesimo di millimetro altri oggetti microscopici.Organico e inorganico, un confine sempre più labileLa possibilità di operare alle dimensioni dei nanometri sta anche modificando i tradizionali confini tra le discipline. Diventa infatti possibile modificare allo stesso modo la composizione di struttura inorganica o quella delle molecole costituenti un organismo vivente. Infatti, in linea di principio non vi è alcuna differenza tra lavorare su molecole caratteristiche del regno della vita, come potrebbero essere gli acidi nucleici, o quelle tipiche di altre discipline, come il silicio per l'elettronica. Questa dissoluzione tra i confini classici delle discipline ha anche il suo corrispettivo nella produzione di oggetti che scavalcano i confini tradizionali tra vita e non vita e in grado di creare nuove commistioni tra inorganico e organico. Sono già stati realizzati infatti composti 'chimerici' costituiti da frammenti di DNA, di virus o di batteri su nanostrutture metalliche. Questi 'nanomotori' sfruttano alcune proprietà organiche e potrebbero per es. essere iniettati in un paziente assieme a un farmaco, individuare le cellule malate (per esempio quelle tumorali, riconoscendole dalla loro sequenza genetica) e poi rilasciare direttamente su di esse il farmaco. Altre ricerche puntano invece a costruire computer 'organici', nei quali la computazione sia effettuata sfruttando le quattro lettere proprie del codice genetico: macchine calcolatrici che potrebbero avere dimensioni minime garantendo nel contempo enormi potenze computazionali.Rischi e timoriLe nanotecnologie, sin dal loro nascere, hanno suscitato grande interesse ma anche grandi timori relativi alla produzione e al rilascio nell'ambiente di oggetti microscopici dei quali non sono ancora note le conseguenze né sugli ecosistemi né sulla salute umana. Altre perplessità sono nate per l'utilizzo delle nanotecnologie nel settore alimentare, con la produzione di nuovi coloranti e additivi elaborati con queste tecniche. Una delle preoccupazioni principali è per es. che queste nanostrutture, che hanno le dimensioni di piccole molecole, quando sono immesse per scopi terapeutici o alimentari nell'organismo, per le loro ridottissime dimensioni, possano superare la barriera chimica che protegge il cervello e causare danni al sistema nervoso.
L'Unione Europea ha pubblicato diversi rapporti che, pur sottolineando gli enormi benefici possibili di queste tecniche, esortavano a verificare con attenzione i possibili rischi per l'ambiente e per la salute prima di arrivare a una produzione e diffusione su grande scala. Una delle soluzioni proposte è quella di utilizzare per i nuovi composti nanostrutturati le stesse cautele che sono adottate per la commercializzazione di tutti i nuovi prodotti chimici: quindi, effettuare test in vitro e su modelli animali per appurarne gli effetti prima di commercializzarli.
nanotecnologia - approfondimentodi Giorgio Benedek e Paolo Milani (Scienza e tecnica)
applicazioni di materiali e di sistemi
I concetti e i campi di applicazione delle nanotecnologie emersi negli ultimi decenni esercitano una profonda influenza sia sulla ricerca fondamentale sia sulle tecnologie industriali, orientandole verso direzioni largamente imprevedibili. Tra i numerosi prodotti industriali basati sulle nanotecnologie attualmente disponibili vi sono: (a) i nuovi pneumatici particolarmente resistenti all’usura; (b) i farmaci costituiti da nanoparticelle per un rilascio efficiente e mirato; (c) i colori e i pigmenti per la stampa (che ne hanno grandemente migliorato la qualità e la stabilità); (d) i laser a semiconduttore e le testine per lettura/scrittura ad alta risoluzione e ad alta velocità su dischi ottici e magnetici. Attualmente esistono concrete previsioni di sviluppo e di applicazione industriale di numerose nuove nanotecnologie. La National nanotechnology initiative, promossa dal presidente degli Stati Uniti sulla base dei più autorevoli documenti scientifici disponibili e approvata dal Congresso americano nel novembre 2000, aveva previsto per il primo decennio di questo secolo un largo apporto delle nanotecnologie nei settori descritti qui di seguito.Industrie automobilistiche e aeronautiche, esplorazione spazialeMateriali compositi rinforzati con nanoparticelle per parti leggere; pneumatici rinforzati da nanoparticelle resistenti all’usura e riciclabili; vernici antipolvere; plastiche non infiammabili a basso costo; elettronica di controllo; rivestimenti e tessuti autoriparanti; veicoli spaziali ultraleggeri; generazione e gestione economica dell’energia; sistemi robotici molto piccoli ed efficienti. Speciale menzione, inoltre, meritano: i nuovi rivestimenti protettivi con elevata resistenza alla corrosione e all’erosione, in sostituzione dei rivestimenti a base di cromo, assai dannosi per l’ambiente; gli strati sottili per il filtraggio ottico e le barriere termiche; i polimeri e i materiali compositi nanostrutturati.Elettronica per le comunicazioni, sensoristica e sistemi elettromeccaniciSistemi di registrazione basati su nanostrutture quantiche; schermi ultrapiatti; tecnologie senza filo (tecnologie wireless); nuovi dispositivi e processi in tutti i settori tecnologici dell’informazione e comunicazione basati su capacità di stoccaggio dati e velocità di calcolo da 1000 a 1 milione di volte maggiore di quelle attuali. Sono stati compiuti passi fondamentali verso la realizzazione di sistemi elettronici e magnetici su scala nanometrica con varie funzioni. È stata dimostrata la possibilità di realizzare nanocircuiti autoassemblati e vi sono prospettive per la realizzazione di switch con singole molecole organiche e di memorie non volatili con una densità di bit maggiore di 1 milione di volte rispetto alle attuali DRAM (Dynamic random access memory). Un transistore a effetto di campo è stato realizzato mediante un nanotubo a parete singola nel ruolo del canale di connessione. È stata realizzata e commercializzata una testina magnetica di lettura basata sull’effetto della magnetoresistenza gigante, che si realizza in multistrati nanometrici di materiali magnetici e non magnetici alternati (Albert Fert e Peter Grünberg, premi Nobel per la fisica nel 2007). Sulla scala nanometrica si hanno facilmente fenomeni di tunnel degli elettroni che portano alla realizzazione di dispositivi a tunnel risonante, di sistemi di giunzioni Josephson con potenzialità nella computazione quantistica. Anche la spintronica, basata sul trasporto di elettroni a spin definito, ha prospettive di realizzazione sulla scala nanometrica. La discesa alla scala nanometrica consente di integrare in un singolo chip una serie di sensori e tutta l’elettronica corrispondente per un’analisi chimica completa dell’aria o dei liquidi e la rivelazione di agenti tossici o esplosivi. Così l’integrazione di funzioni elettroniche e meccaniche prelude alla realizzazione di nanorobot e dei già citati NEMS.Prodotti chimici e materiali per l’energeticaNuovi tipi di batterie; fotosintesi artificiale per produzione di energia pulita; celle solari a buca quantica; stoccaggio sicuro dell’idrogeno per celle a combustibile; risparmio energetico dall’uso di materiali ultraleggeri; catalizzatori che aumentano l’efficienza energetica degli impianti chimici e l’efficienza di combustione dei veicoli a motore, riducendo globalmente le emissioni inquinanti. Importanti sono anche gli aerogel, consistenti in materiali spugnosi altamente porosi con una trama tridimensionale nanostrutturata, che promettono molto nel campo della catalisi e dell’accumulo di energia in virtù dell’enorme area superficiale. La conversione dell’energia solare in energia chimica, secondo un processo di fotosintesi artificiale, è stato dimostrato in una cella fotochimica di Graetzel costituita da un film di TiO2 nanostrutturato sul quale si adsorbono molecole di un colorante. Così i catodi di batterie a litio, i componenti delle celle a combustibile e il corrispettivo stoccaggio di idrogeno si valgono di materiali nanostrutturati con grandissima area superficiale, fra i quali i nanotubi e il carbonio nanostrutturato sopra menzionato. Infine, la sintesi a basso costo di zeoliti nanoporose ha portato a una vera rivoluzione nella catalisi dei processi petrolchimici, che consente – dall’inizio del 2000 – il ‘processo’ di oltre 7 miliardi di barili di petrolio e di altri prodotti chimici con fatturati di molte decine di miliardi di dollari all’anno.Prodotti farmaceutici, tutela della salute e scienze della vita, biotecnologie e applicazioni biomediche
Nuovi medicinali nanostrutturati; sistemi di rilascio di farmaci e materiale genetico mirati a specifici siti del corpo; protesi biocompatibili e sostitutivi di fluidi fisiologici; strumenti di autodiagnosi; sensori per test biologici su chip; materiali per la rigenerazione del tessuto osseo e altri tessuti. A questo settore vanno ascritti i numerosi nanosistemi e i dispositivi proposti per determinare la sequenza di singole molecole di DNA, destinati ad aprire grandi prospettive nella genomica su larga scala e nell’applicazione di nanostrutture inorganiche quali marcatori in biologia e in medicina. Le biomolecole hanno dimensioni e attributi che le rendono adatte a numerose applicazioni nanotecnologiche. Un aspetto particolarmente importante è l’ingegneria dei tessuti biologici, che ha l’obiettivo di usare le cellule e le loro molecole per la costruzione di sostituti a tessuti danneggiati o non funzionanti. Altre applicazioni sono l’impiego di nanocristalli semiconduttori come i marcatori biologici fluorescenti e dei chip di DNA sopra menzionati nella determinazione delle sequenze del genoma.Industria manifatturieraIngegneria di precisione basata su nuove generazioni di microscopi e di tecniche di misura su scala nanometrica; nuovi processi e strumenti per manipolare la materia a livello atomico; nanopolveri sinterizzate per materiali con specifiche proprietà, quali sensori per rivelare rotture incipienti e attuatori per autoriparazioni; lucidature chimico-meccaniche con nanoparticelle; autoassemblaggio di strutture da molecole; biostrutture e materiali biomimetici. Vi sono molti materiali le cui proprietà dipendono dalla presenza di componenti finemente disperse. La realizzazione di dispersioni su scala nanometrica ha aumentato notevolmente il valore aggiunto di tali materiali. Ne sono esempi l’impiego di nanoparticelle di silice colloidale nella manifattura delle fibre ottiche attraverso processi sol-gel; i nanocompositi nei quali polimeri tradizionali sono rinforzati dalla dispersione di particelle nanometriche; le plastiche con nanoparticelle inorganiche a infiammabilità ritardata; i rivestimenti di superfici con nanoparticelle per diversi scopi quali l’aumento della resistenza all’usura e alla corrosione chimica; l’autolubrificazione; la formazione di barriere termiche; la modifica delle proprietà ottiche; la realizzazione di catalizzatori ad alta area specifica; le polveri nanometriche per la decontaminazione dell’aria da batteri tossici; le nanoparticelle per inchiostri e coloranti; i fluidi magnetici (ferrofluidi) realizzati mediante la dispersione di nanoparticelle ferromagnetiche in un liquido; fluidi magnetici smart per tenute a vuoto e lubrificanti. La dispersione di particelle nanometriche in fasi solide consente anche la fabbricazione di materiali strutturali ad alte prestazioni come acciai, leghe e materiali ceramici di grande durezza e superiori proprietà meccaniche; punte di trapano; lame di frese e strumenti da taglio ad altissima durezza e bassa fragilità; nuovi materiali ferromagnetici; bitumi particolarmente resistenti all’usura; cementi duttili; protesi mediche integrabili con i tessuti biologici.Ambiente e sicurezzaLe applicazioni riguardano le membrane selettive per il filtraggio di contaminanti e la dissalazione; le trappole nanostrutturate per la rimozione di inquinanti dagli efflussi industriali; la definizione dell’impatto ambientale delle nanostrutture; il mantenimento della sostenibilità industriale mediante significative riduzioni di materiali e di energia utilizzati; la riduzione delle fonti di inquinamento e l’aumento delle possibilità di riciclaggio. Nel campo della sicurezza sono importanti i rivelatori e i detossificatori di agenti chimici e biologici; i sistemi di sorveglianza miniaturizzati e lo sviluppo dell’elettronica corrispondente; i materiali mimetici, sostitutivi del plasma sanguigno; i materiali e i rivestimenti nanostrutturati ultrarobusti; i tessuti leggeri e autoriparanti.