Nanotecnologie e nanoscienze.

Non esiste ancora una definizione universalmente accettata per nanoscienze e nanotecnologie, ma ve ne sono diverse simili tra loro. Secondo quella data nel 2004 dal Royal Society & The Royal Academy of Engineering (UK), “Nanoscience is the study of phenomena and manipulation of materials at atomic, molecular and macromolecular scales, where properties differ significantly from those at a larger scale” e “Nanotechnology is the design, characterisation, production and application of structures, devices and systems by controlling shape and size at nanometre scale”. Analoga è la definizione data nel 2000 nell’ambito della National Nanotechnology Initiative (NNI) USA: “Nanotechnology is the understanding and control of matter at dimensions of roughly 1 to 100 nanometres, where unique phenomena enable novel applications… At this level, the physical, chemical, and biological properties of materials differ in fundamental and valuable ways from the properties of individual atoms and molecules or bulk matter”. Le nanoscienze costituiscono il punto di incontro di discipline diverse che vanno dalla fisica quantistica, alla chimica supramolecolare, dalla scienza dei materiali, alla biologia molecolare e rappresentano una realtà ormai affermata nel mondo della ricerca. Le nanotecnologie, che sono invece ancora nella fase iniziale del loro sviluppo, puntano a sfruttare e ad applicare i metodi e le conoscenze derivanti dalle nanoscienze. Esse fanno riferimento ad un insieme di tecnologie, tecniche e processi che richiedono un approccio multidisciplinare e consentono la creazione e utilizzazione di materiali, dispositivi e sistemi con dimensioni a livello nanometrico. In sintesi, con nanotecnologie si intende la capacità di osservare, misurare e manipolare la materia su scala atomica e molecolare. 1 nanometro (nm) è infatti un miliardesimo di metro e corrisponde all’incirca a 10 volte la grandezza dell’atomo dell’idrogeno mentre le dimensioni di una proteina semplice sono intorno a 10 nm. Il mondo delle nanotecnologie è quello compreso tra 1 e 100 nanometri e sono “nanoprodotti” quei materiali o dispositivi nei quali vi è almeno un componente funzionale con dimensioni inferiori a 100 nm. Le prospettive rivoluzionarie associate alla nanotecnologie derivano dal fatto che, come detto, a questi livelli di dimensioni comportamenti e caratteristiche della materia cambiano drasticamente e le nanotecnologie rappresentano un modo radicalmente nuovo di produrre per ottenere materiali, strutture e dispositivi con proprietà e funzionalità grandemente migliorate o del tutto nuove.

 

 

 

Due sono le strade per operare a livello nanometrico. Una fa riferimento all’approccio cosiddetto “top down”, che significa ridurre con metodi fisici le dimensioni delle strutture verso livelli nano. Le tecniche proprie della microelettronica, come per esempio la litografia a fascio di elettroni o a raggi X, sono riconducibili a questo approccio e, proprio per questo, costituiscono la strada di più immediato utilizzo per entrare nel mondo “nano”. La nanoelettronica e la nanoingegneria sono le aree di elezione di questo approccio ed in effetti la nanoelettronica costituisce al momento l’applicazione più diffusa delle nanotecnologie anche se bisogna far presente che non sempre la dimensione nanometrica in sé è sufficiente per parlare di nanoprodotti. Secondo una interpretazione restrittiva della definizione data dalla NNI, per esempio, i circuiti integrati sotto i 100 nm realizzati con tecniche di litografia, non sono inclusi tra i “prodotti nanotecnologici”. L’altra via è invece quella cosiddetta “bottom up”. Essa sta ad indicare l’approccio nel quale, partendo da piccoli componenti, normalmente molecole o aggregati di molecole, si cerca di controllarne/indirizzarne l’assemblaggio utilizzandoli come “building blocks” per realizzare nanostrutture, sia di tipo inorganico che organico/biologico.Le aspettative maggiori, quelle che più si identificano con le nanotecnologie e le loro potenzialità, sono associate all’approccio bottom up, la realizzazione cioè di strutture a livello nanomentrico replicando in maniera controllata processi che sovente già avvengono in natura ed ottenere quelle proprietà che sono specifiche della scala nanometrica. Allo stato attuale le tecniche “top down” sono quelle generalmente più consolidate, mentre per ciò che riguarda le tecniche “bottom up” si è ancora in genere in una fase di sviluppo ed essenzialmente confinati a livello di laboratorio.

 

Le nanotecnologie costituiscono un nuovo approccio che si basa sulla comprensione e la conoscenza approfondita delle proprietà della materia su scala nanometrica: un nanometro (un miliardesimo di metro) corrisponde alla lunghezza di una piccola molecola. Su questa scala la materia presenta svariate proprietà, a volte molto sorprendenti, e le frontiere tra discipline scientifiche e tecniche si attenuano, il che spiega la dimensione interdisciplinare fortemente associata alle nanotecnologie. Le nanotecnologie sono spesso descritte come potenzialmente “perturbatrici” o “rivoluzionarie” a livello di impatto sui metodi di produzione industriale. Esse apportano possibili soluzioni ad una serie di problemi attuali grazie a materiali, componenti e sistemi più piccoli, più leggeri, più rapidi e più efficaci. Queste possibilità aprono nuove prospettive per la creazione di ricchezza e occupazione. Le nanotecnologie dovrebbero inoltre apportare un contributo fondamentale alla soluzione di problemi mondiali ed ambientali perché consentono di realizzare prodotti e processi per usi più specifici, risparmiare risorse e ridurre il volume dei rifiuti e delle emissioni. Nella corsa mondiale alle nanotecnologie si stanno facendo enormi passi avanti. L’Europa ha rapidamente realizzato investimenti in molti programmi di nanoscienze che hanno preso il via tra la metà e la fine degli anni ’90. Ha così sviluppato una solida base di conoscenze e adesso deve fare in modo che l’industria e la società europee possano coglierne i frutti sviluppando prodotti e processi innovativi. Le nanotecnologie sono al centro di una recente Comunicazione della Commissione (“Verso una strategia europea delle nanotecnologie”) in cui si propone non solo di incentivare la ricerca in materia di nanoscienze e nanotecnologie, ma anche di tenere conto di una serie di altre dinamiche interconnesse. La nanotecnologia è natura pura, tuttavia le possibilità della materia vivente sono limitate:non può ad esempio sopportare le alte temperature, come la ceramica, e non è compatibile con i conduttori metallici. Le tecnologie moderne permettono invece di creare condizioni artificiali estreme, in termini di purezza, freddo, vuoto, nelle quali la materia rivela proprietà sorprendenti. Pensiamo ad esempio agli effetti quantici, che a volte sembrano in pesante contraddizione con le leggi che regolano la nostra vita quotidiana. Le particelle del nanocosmo possono acquisire proprietà ondulatorie: un atomo, che apparentemente è un’entità “solida”, può passare contemporaneamente da due fessure, come un’onda, per riemergere poi intero dall’altra parte. Quando le loro dimensioni si avvicinano al nanometro, le particelle acquisiscono nuove proprietà. Così i metalli diventano semiconduttori o isolanti. Alcune sostanze, come il tellururo di cadmio (CdTe), nel nanocosmo sono fluorescenti, in tutti i colori dell’iride, mentre altre convertono la luce in corrente elettrica. Quando le particelle diventano nanoscopiche, la percentuale degli atomi di superficie aumenta considerevolmente. Gli atomi di superficie, tuttavia, hanno spesso proprietà diverse da quelli situati al centro della particella; di norma sono molto più reattivi. L’oro, ad esempio, su scala nanoscopica diventa un buon catalizzatore per celle a combustibile (cfr. anche la sezione Mobilità). Le nanoparticelle possono anche ricoprire altre sostanze e nei materiali così formati si combinano proprietà diverse. Ad esempio le nanoparticelle ceramiche con involucro organico riducono la tensione superficiale dell’acqua e sono utilizzate per rivestire gli specchi da bagno anticondensa. Rivestite in modo particolare, le nanoparticelle di magnetite ( un ossido di ferro) formano con l’olio un ferrofluido, un liquido che può essere plasmato da campi magnetici. I ferrofluidi trovano sempre maggiore applicazione, ad esempio come sigillanti per giunti rotanti per contenitori sotto vuoto e custodie per dischi rigidi, o in ammortizzatori di vibrazione regolabili per macchine o automobili. Ma non ci si deve fare intimorire dalla complessità della nanotecnologia. Anche la mela è un insieme complesso di cellule, ribosomi e DNA, ma resta con tutto ciò un frutto appetibilissimo e, come ogni buona nanotecnologia, facile da usare.