Angeli custodi nanotecnologici

Immaginate una invisibile rete di sensori ed elaboratori elettronici integrata nei tessuti dei nostri vestiti, in un semplice braccialetto o in un qualunque oggetto di uso quotidiano. Raccogliendo ed elaborando continuamente dati sull'ambiente circostante simili dispositivi potrebbero permetterci di monitorare la nostra salute in un modo oggi inimmaginabile, prevenire incidenti per farci vivere un'esistenza più tranquilla o semplicemente rendere la nostra vita più confortevole infondendo negli oggetti con cui ogni giorno veniamo a contatto una sorta di "intelligenza" al nostro servizio. Questo scenario fantascientifico potrebbe divenire realtà in un futuro non troppo lontano grazie ai progressi nel campo delle nanotecnologie e dell'elettronica.
Negli scorsi mesi un consorzio pan-europeo di università e istituti di ricerca pubblici e privati, guidato dai politecnici di Zurigo e Losanna,  ha lanciato il progetto "Guardian Angels for a Smarter Life" (qui il link del sito ufficiale del progetto), candidandosi per ricevere un grosso finanziamento di ricerca da parte dell'unione europea nell'ambito del programma Future and Emerging Technologies (FET) Flagships Initiative. Già in passato ho dedicato un post a quattro degli altri cinque affascinanti progetti in concorso: i temi affrontati, tutti decisamente interdisciplinari e di grande impatto, spaziano dalle neuroscienze, alla scienza dei materiali, dalla bioinformatica fino alla robotica (trovate qui, qui, qui e qui i vecchi post).
"Questo è un progetto che punta in alto: è ambizioso quanto lo è stato il volare sulla luna cinquant'anni fa" ha affermato Christofer Hierold, professore di micro - e nanosistemi presso il politecnico di Zurigo e coordinatore del progetto insieme al professor Adrian Ionescu, direttore del laboratorio di dispositivi nanoelettronici presso il politecnico di Losanna. Quest'ultimo ha aggiunto: "Guardian Angels non si inserisce passivamente nel trend di estrema miniaturizzazione già in atto da anni nel campo delle tecnologie dell'informazione, il nostro obbiettivo primario è sviluppare tecnologie completamente nuove per allargare le frontiere di ciò che è al momento possibile realizzare". Per raggiungere il proprio obbiettivo il progetto richiederà progresso tecnologico a tutti i livelli: dal consumo energetico, alle capacità computazionali fino alla funzionalità dei sensori passando per le tecnologie di comunicazione wireless. Forse la più grande sfida che si pongono i ricercatori è quella di realizzare dispositivi in grado di raccogliere ed immagazzinare energia dal loro stesso ambiente. Per i Guardian Angels, infatti, le batterie non saranno un'opzione; dovranno essere essi stessi in grado di generare l'energia necessaria al loro funzionamento.
E' questo ciò che gli scienziati intendono quando parlano di "zero-power systems": le vibrazioni, i movimenti, le differenze di temperatura o illuminazione possono essere sfruttate per generare piccole quantità di energia elettrica, sufficiente, essendo essi stessi molto piccoli, ad alimentare gli "angeli custodi" che, grazie agli sforzi dei ricercatori, potrebbero vegliare sul nostro futuro.
Ora non mi resta che lasciarvi al bel video di presentazione del progetto... Buona visione!

La nanostampante 3D superveloce

E' di circa due mesi fa la notizia che alcuni ricercatori del politecnico di Vienna sono riusciti a mettere a punto una stampante 3D in grado di dare forma ad oggetti con dettagli di poche centinaia di nanometri ad una velocità senza precedenti. Nell'immagine qui a fianco potete vedere una microscopica auto da corsa stampata dagli scienziati viennesi; la sua lunghezza è di soli 285 micrometri (10^-6 m). (Per confronto, una tipica cellula umana ha un diametro di circa 10 micrometri).

Nel processo di stampa in 3D si utilizzano speciali resine liquide che si induriscono nei punti in cui vengono colpite da un raggio laser. Il raggio, guidato nei punti voluti tramite un sistema di specchi mobili, innesca nella resina una catena di reazioni di polimerizzazione lasciando dietro di sè una sottile striscia di polimero solido larga poche centinaia di nanometri. Una simile risoluzione permette di plasmare intricatissime strutture  della dimensioni di un granello di sabbia. Come spiega il professor Jürgen Stampfl dell'istituto di scienze dei materiali dell' università tecnologica di Vienna: "Fino ad oggi queste tecniche erano abbastanza lente; la velocità di stampa era misurabile in millimetri al secondo. Il nostro dispositivo arriva ad una velocità di cinque metri al secondo." Una simile velocità, per una tecnica come la fotolitografia a due fotoni, è un record assoluto. Il fattore cruciale che sta dietro a questo notevole miglioramento è un nuovo sistema di guida e movimento degli specchi ha affermato uno dei ricercatori coinvolti nel progetto: "nel nostro dispositivo gli specchi sono in continuo movimento durante il processo di stampa; sono minime accelerazioni e decelerazioni, calibrate con grande precisione, a permettere di mantenere l'altissima risoluzione battendo, al contempo, ogni record di velocità".
Le potenziali applicazioni di questa nuova tecnica sono molto varie, dall'ingegneria biomedica alle nanotecnologie. Inoltre, la maggiore velocità che permette di stampare anche oggetti di dimensioni macroscopiche in tempi ragionevoli, fa intravvedere notevoli ricadute industriali. Adesso, il gruppo di ricercatori autori del dispositivo, sta cercando di sviluppare resine biocompatibili. In questo modo si potrebbero stampare matrici di supporto per cellule con precisione nanometrica; queste, a loro volta, potrebbero avere grandi applicazioni nel campo della medicina rigenerativa e dell'ingegneria tissutale (di cui si è già parlato in questo post).  Nel video qui sotto potete osservare la stampante al lavoro.

Un futuro di vetro - A day made of glass 2

Nel post precedente, parlando delle mille possibili applicazioni del grafene, ho citato l'elettronica integrata in vetri e specchi; ciò che voglio mostrarvi oggi è proprio un video che mostra le potenzialità di questo tipo di tecnologia nel trasformare la nostra vita quotidiana nei prossimi anni. L’anno scorso "A day made of glass", cortometraggio pubblicitario della Corning (l’azienda produttrice del "Gorilla Glass" utilizzato dagli iPhone), che ipotizzava un "futuro tecnologico di vetro", aveva avuto un successo clamoroso catturando l’immaginazione di milioni di persone. In questi giorni è stata rilasciata la seconda puntata, "A Day made of Glass 2". Detto questo non mi resta che augurarvi buona visione e lasciare che vi immergiate in questa affascinante "giornata di vetro" che potrebbe diventare realtà quotidiana nel giro di pochi anni.

Grafene - Un materiale per il futuro

Il grafene è senza dubbio uno dei materiali più rivoluzionari su cui, attualmente, si concentra la ricerca scientifica e tecnologica. A testimonianza del grande interesse che la comunità scientifica nutre nei confronti di questo materiale basti ricordare che, nel 2010, i fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov sono stati insigniti del premio Nobel per la Fisica proprio "per i pionieristici esperimenti riguardanti il grafene". Questo materiale, composto da fogli di carbonio disposti a "nido d’ape" e spessi un solo atomo, ha infatti proprietà straordinarie; non solo dal punto di vista elettrico, ma anche da quello ottico, termico e meccanico. Le proprietà uniche del grafene potrebbero far fare grandi balzi in avanti alla tecnologia in quasi qualunque campo con applicazioni che vanno dall'elettronica pieghevole e superveloce alle interfacce neurali biocompatibili. Per darvi un idea delle potenzialità di questo materiale voglio citarvi due recenti notizie riguardanti proprio le applicazioni del grafene ai biosensori per l'elettrofisiologia e all'elettronica.
Poco più di un mese fa alcuni ricercatori della "Technische Universität München" hanno realizzato un piccolissimo dispositivo elettronico al grafene, in grado di captare e registrare i segnali elettrici prodotti dalle cellule. I risultati della loro sperimentazione sono riportati nella prestigiosa rivista "Advanced Materials". Da anni gli scienziati che lavorano nel campo della bioelettronica tentano di produrre sensori che siano in grado di ricevere, e, possibilmente, anche di trasmettere, segnali alle cellule. Storicamente i segnali elettrofisiologici prodotti delle cellule sono stati studiati soprattutto con dispositivi basati sulla tecnologia del silicio. Tuttavia, questo materiale, essendo rigido e incompatibile con i substrati flessibili oltre che inadatto a operare in ambienti acquosi come i sistemi biologici, non può essere integrato nei tessuti animali. Il grafene, al contrario, è chimicamente stabile e pertanto non reagisce con le altre molecole né subisce variazioni se messo a contatto con l’ambiente cellulare. E' per questo, oltre che per le sue ottime caratteristiche elettriche, che il grafene è un materiale davvero ideale per la produzione di sensori bioelettronici.
Ma è ovviamente l'elettronica per il "computing" il campo che il grafene potrebbe rivoluzionare in modo più radicale, anche in questo caso, sostituendo gradualmente il silicio. L'avvento dell'era dell'elettronica al grafene non solo farà fare un balzo in avanti a miniaturizzazione, velocità di calcolo ed efficienza energetica dei microprocessori ma potrebbe anche aprire la strada alla realizzazione di dispositivi elettronici pieghevoli e potenzialmente integrabili in quasi qualunque oggetto, da vetri e specchi fino a tessuti ed abiti. Un primo passo in questo senso risale alla scorsa estate, quando un team di ricercatori della IBM è riuscito a costruire il primo circuito integrato di grafene. Sfortunatamente questi transistor non potevano essere “compattati” a formare un circuito integrato perché il grafene, anche nel suo stato più isolante, faceva passare troppa corrente causando la fusione degli altri componenti del circuito in pochi secondi. All’inizio di questo mese però è stato pubblicato un articolo che offre una soluzione al problema. Assemblando più strati di grafene a formare transistor tridimensionali (cioè accostando strati di grafene non complanari ma sovrapposti verticalmente) è stato realizzato un nuovo dispositivo chiamato “transistor verticale a effetto tunnel di campo” che è adatto a realizzare circuiti integrati. Il Dottor Leonid Ponomarenko, uno degli autori dello studio, ha dichiarato: “abbiamo fornito un approccio concettualmente nuovo all’elettronica al grafene; il nostro transistor funziona già piuttosto bene, ma ritengo che ci sia spazio per molto miglioramento. Ad esempio si potrebbe ridurne la dimensione a pochi nanometri e si potrebbe fare in modo che operi a frequenze prossime ai teraherz”.

E' per cogliere al volo le grandi prospettive scientifiche, tecnologiche ed industriali aperte dal grafene che è nato il progetto europeo "Graphene-Driven Revolutions in ICT and Beyond" (Graphene) (a questo indirizzo il sito ufficiale). Il progetto Graphene è un altro dei candidati al finanziamento FET Flagship; il suo obbiettivo è quello di riunire una comunità interdisciplinare di ricercatori europei che, in collaborazione con l'industria, punti a sviluppare tecnologie radicalmente innovative nel campo dell'ITC ("information and communication technology"). Questo permetterebbe di sfruttare appieno le proprietà di questo straordinario materiale per dare vita ad una vera e propria rivoluzione tecnologica che vedrebbe l'Europa in prima linea.
Voglio concludere questo post con un bel servizio di "Super Quark" che contiene una interessante intervista a Valeria Nicolosi, una giovane ricercatrice italiana emigrata all'estero che parteciperà, insieme al gruppo da lei diretto, al progetto Graphene.

Nanotecnologia a DNA

E' di pochi giorni fa la notizia che un gruppo di ricercatori delle università di Kyoto e di Oxford sono riusciti ad assemblare molecole di DNA (la molecola che codifica le informazioni genetiche degli organismi viventi), per costruire un motore molecolare artificiale in grado di navigare in modo controllabile lungo una rete di percorsi dotati di una sorta di "equivalente molecolare" degli scambi ferroviari. Il lavoro del team di scienziati, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Nanotechnology apre le porte a grandi sviluppi nel campo della nanoingegneria. I ricercatori hanno utilizzato la tecnologia del "DNA origami". Questa tecnica, che sfrutta le peculiari proprietà chimico-fisiche del DNA, consiste nel produrre catene molecolari composte da particolari sequenze di basi in modo che queste, legandosi spontaneamente tra loro, si auto-assemblino a formare la struttura tridimensionale desiderata. Nello studio appena pubblicato gli scienziati hanno realizzato in questo modo un "sistema ferroviario" con tanto di scambi, usando come supporto un reticolo di molecole di DNA. Questo ha reso possibile, per la prima volta, controllare il movimento del motore molecolare.
Questo risultato segna un importante passo per lo sviluppo della nanotecnologia. Come sottolinea il Dottor Masayuki Endo, uno degli autori dello studio:
"Abbiamo dimostrato, non solo che è possibile costruire sistemi in grado di funzionare autonomamente alla nanoscala, ma anche che è possibile controllarne il comportamento agendo sulle condizioni iniziali". Tra i firmatari dell'articolo pubblicato su Nature Nanotechnology c'è anche la Dottoressa Shelley Wickham, le cui ricerche si concentrano sullo sviluppo di sistemi nanotecnologici ancora più complessi come una linea di assemblaggio molecolare basata sul DNA. Per intenderci un simile dispositivo sarebbe l'equivalente a DNA del "nanosistema produttivo" mostrato nel video al fondo del post "Introduzione alla nanotecnologia".
"Siamo ancora nella fase embrionale dell'ingegneria dei sistemi basata sugli origami a DNA. Le promesse sono grandi, ma allo stesso tempo dobbiamo ancora superare molti problemi tecnici per migliorare la qualità delle prestazioni di questo tipo di sistemi. Ci troviamo ad assistere alla nascita di un campo di ricerca davvero eccitante." ha commentato il Prof. Hiroshi Sugiyama, dell'università di Kyoto.(Nella foto, la rappresentazione di un tetraedro di DNA realizzato con la tecnica del DNA origami).

La legge di Ohm alla nanoscala

La legge che descrive il comportamento dei materiali conduttori al passaggio di corrente elettrica è la così detta "legge di Ohm" (V = RI). Questa legge esprime una relazione lineare tra la tensione elettrica ai capi di un conduttore e la corrente elettrica che lo attraversa; la costante di proporzionalità che interviene è detta resistenza. Fino a poco tempo fa si pensava che questa legge, fondamentale per l'elettronica e l'elettrotecnica, smettesse di essere valida per conduttori di dimensioni nanometriche costituiti da pochi atomi. A questa scala, infatti, fenomeni quantistici come l'interfenza tra elettroni di conduzione dovrebbero portare a un comportamento diverso da quello previsto dalla legge di Ohm, ponendo dei limiti alla miniaturizzazione a livello atomico dei circuiti elettronici.
Ora però il quadro sta cambiando, in uno studio pubblicato una decina di giorni fa su "Science", un gruppo di ricercatori dell'University of New South Wales, della Purdue University e dell'Università di Melbourne ha dimostrato che la legge di Ohm può restare valida anche a dimensioni nanoscopiche. I ricercatori hanno ottenuto nanofili "ohmici" (cioè che seguono la legge di Ohm) depositando con un microscopio a effetto tunnel atomi di fosforo a distanza di un nanometro uno dall'altro su nanofili di silicio. Questa procedura, comunemente usata nell'industria dei semiconduttori, prende il nome di "dopaggio" del materiale. I nanofili di fosforo e silicio così ottenuti hanno uno spessore compreso fra gli 1,5 e gli 11 nanometri e conservavano le capacità di trasporto elettrico proprie, ad esempio, dei cavi di rame macroscopici. Questa è una ottima notizia per il futuro della nanoelettronica e della tecnologia in generale; a questo punto, infatti, è ragionevole aspettarsi di poter contare ancora per molti anni sulla legge di Moore (secondo la quale il numero di transistor per unità di superficie che possono contenere i processori, e quindi le loro prestazioni, raddoppia ogni 18 mesi) e con essa sulle sue grandi ricadute positive per lo sviluppo scientifico e tecnologico.

La nanotecnologia si fa grande

In una piccola cittadina del New Hampshire, Concord, i ricercatori di una piccola startup nanotecnologica, la Nanocomp, sono riusciti a mettere a punto un nuovo metodo per produrre sottili fogli di nanotubi di carbonio lunghi vari metri.
I nanotubi di carbonio, sottilissimi cilindri di pochi nanometri di diametro, formati da un singolo strato di atomi, sono tra i materiali con la più alta resistenza meccanica e conducibilità elettrica noti.
Le proprietà uniche di questo materiale permetterebbero di utilizzarlo per realizzare linee di trasmissione energetica super efficienti (con un enorme risparmio di energia elettrica), ponti sospesi lunghi chilometri, veicoli super leggeri a risparmio energetico e perfino i così detti "ascensori spaziali" (dispositivi simili ad ascensori che servirebbe a portare carichi in orbita ad un costo minimo rispetto a quello attuale).
L'ostacolo al pieno sfruttamento delle potenzialità tecnologiche dei nanotubi è sempre stato la difficoltà di di produrli su vasta scala e a costi contenuti "tessendoli" a formare dei materiali che conservino le loro uniche caratteristiche elettriche e meccaniche.
Alcune compagnie nanotecnologiche hanno già realizzato con successo dei prodotti utili miscelando i nanotubi con resine per creare materiali compositi, questi, però, perdono, almeno in parte, le straordinarie proprietà dei loro componenti individuali. Questo problema sembra essere stato, almeno parzialmente, risolto dai ricercatori della Nanocomp. Nel nuovo processo di produzione da loro messo a punto dell'alcool viene posto a contatto con un particolare catalizzatore all'interno di una fornace ad alte temperature e pressioni. Un attento lavoro di regolazione del processo permette di produrre nanotubi relativamente lunghi, incrociati a formare un reticolo tale da permettere la realizzazione di grandi fogli che conservano, in buona misura, le caratteristiche originali di resistenza e conducibilità dei singoli nanotubi. La tecnica messa a punto dalla Nanocomp per produrre fogli di nanotubi puri fa compiere un grande passo in avanti nella direzione dello sfruttamento alla macroscala delle eccezionali proprietà dei nanotubi e apre la possibilità di mettere sul mercato nuovi prodotti a prezzi competitivi.

Scolpire nanoparticelle

In un articolo recentemente pubblicato su "Science", un gruppo di ricercatori dell'"Istituto Catalano di Nanotecnologia" ha dimostrato l'efficacia di un nuovo metodo per produrre nanoparticelle cave dotate di una larga varietà di forme, anche dalla geometria notevolmente complessa. Al di là della loro intrinseca bellezza (che potete ammirare nella foto qui a fianco), simili nanostrutture rappresentano un grande passo avanti per la nanotecnologia grazie alle loro possibili applicazioni nel campo del "drug delivery" e della nanomedicina, della catalisi, e persino come componenti di macchine e robot di dimensioni nanometriche.

Costruire oggetti tridimensionali alla nanoscala, modellandoli secondo necessità, è qualcosa di davvero complicato e che presenta grandissime sfide tecnologiche. Per questo, fino ad oggi, gli scienziati si sono quasi sempre limitati a sfruttare le proprietà di nanotubi e nanostrutture senza modificarne la forma. Procedendo in questo modo, però, i gradi di libertà nell’assemblaggio e nella definizione della struttura di questi "nano-oggetti" sono sempre stati decisamente bassi.
Grazie ai ricercatori catalani autori dell'articolo questo problema adesso potrebbe essere risolto. Controllando grandezze come temperatura, tensione superficiale e forze intermolecolari delle sostanze presenti nell'ambiente circostante è possibile scegliere il grado di uniformità e il tipo di struttura dei nano-oggetti che vengono prodotti a partire da vari materiali. In particolare, ad esempio, lasciando interagire metalli liquidi che hanno tempi di diffusione diversi si possono creare piccoli manufatti bucati o a più strati (effetto Kirkendall). Oppure, mescolando un metallo ridotto (cioè al quale sono stati aggiunti elettroni) con un altro in stato ossidato (con meno elettroni) e con caratteristiche elettrochimiche particolari è possibile ottenere nano-oggetti rivestiti di uno dei due materiali (deposito galvanico). Questi due processi; l'effetto Kirkendall e la galvanizzazione, così come altre tecniche di corrosione, sono comunemente usate alla macroscala in numerosi processi industriali. Per questo motivo, il lavoro degli scienziati catalani è particolarmente promettente dal punto di vista commerciale, vista la relativa facilità con cui queste tecniche possono essere adottate su scala industriale.

"Si apre dunque la strada per un nuovo modo di modellare le nanoparticelle – ha commentato, sempre su Science, Wolfgang Parak dell’Università di Marburg – che finalmente ci permetterà di strutturarle in modo da incontrare perfettamente i nostri bisogni".

Nella figura qui sotto potete trovare le immagini (accostate ai rispettivi schemi) di alcune delle strutture create dai ricercatori; si va da nanoparticelle a forma di scatola aperta, di scatola polimetallica con doppie pareti e pori, fino a scatole compartimentate con pareti interne, nanoaghi di varie forme e fullereni metallici.

Muscoli artificiali di carbonio

Dopo una breve pausa, riprendiamo a parlare di nanotecnologia.

L'articolo pubblicato l'altro ieri sulla prestigiosa rivista Science è sicuramente un importante passo avanti sulla strada della miniaturizzazione di attuatori meccanici (cioè dispositivi che esercitano una forza per mettere in movimento o controllare sistemi meccanici), indispensabili per realizzare sempre più complessi e raffinati sistemi nano- e micro-elettromeccanici (NEMS e MEMS), sviluppando così il pieno potenziale della nanotecnologia.
Gli scienziati autori dell'articolo sono riusciti a realizzare dei veri e propri "muscoli artificiali" costituiti da nanotubi di carbonio intessuti assieme elicoidalmente un pò come le fibre che compongono una corda.
I nanotubi di carbonio, strutture cilindriche composte da un singolo strato di atomi di carbonio avvolto su se stesso, sono, da tempo, al centro dell'attenzione dei ricercatori che si occupano di nanotecnologia a causa delle loro eccezionali caratteristiche elettoniche e meccaniche.
Il "muscolo artificiale" prodotto dagli scienziati misura un diametro di appena 15 micron (10^(-6) m) e, se tenuto in una soluzione elettrolitica e sottoposto ad una tensione elettrica si contrae, torcendosi, funzionando analogamente ai muscoli costituiti di fibre elicoidali che si trovano in natura nella proboscide degli elefanti o nei tentacoli dei polpi.

Il meccanismo di funzionamento è questo:
quando il fascio di nanotubi è sottoposto a tensione tramite elettrodi applicati ai suoi capi gli ioni contenuti nella soluzione elettrolitica migrano verso l'interno della fibra per compensare la carica elettronica negativa in transito all'interno dei nanotubi stessi. Questi, essendo porosi, vengono penetrati dagli ioni che, accumulandosi, ne provocano un aumento di volume accompagnato da un accorciamento della loro lunghezza il quale a sua volta mette in torsione l'intera fibra. La torsione può essere invertita invertendo la differenza di potenziale applicata dagli elettrodi. Nell'immagine è evidenziato l'angolo di torsione della fibra "fotografata" con un microscopio elettronico.

Per dimostrare l'efficacia del loro dispositivo i ricercatori lo hanno già utilizzato come miscelatore integrato all'interno di un chip microfluidico.I chip microfluidici sono dispositivi miniaturizzati, anche chiamati Lab-on-a-chip, in grado di svolgere da soli molte analisi chimiche e fisiche di sostenze che vengono depositate su di essi.

I motori elettrici che usiamo comunemete alla macroscala, indispensabili per il funzionamento di quasi qualunque tipo di macchina, sono molto difficili da miniaturizzare per la loro notevole complessità. Il micro-motore elettrico ottenuto dai ricercatori però segna un traguardo importantissimo, essendo il primo mai prodotto alla sua scala ad avere un efficienza relativa in termini di massa comparabile con quella dei motori elettrici macroscopici.
Grazie a questi muscoli artificiali potranno essere più facilmente miniaturizzate pompe, motori, turbine e compressori, inoltre questa tecnologia potrebbe risultare utilissima nel campo della robotica o per la realizzazione di protesi robotiche.

Conferenza web sulle nanotecnologie

Voglio segnalarvi che lunedì 17/10/2011 dalle ore 20:50 alle 21:50 si terrà su Oliproject una lezione-conferenza web a cura di Alberto Diaspro, fisico genovese presidente della "associazione delle società europee di biofisica" (EBSA), dal titolo: "La rivoluzione delle Nanotecnologie: cosa sono e come stanno cambiando la scienza".
Oilproject è una scuola virtuale, gratuita ed aperta a tutti, in cui si discute di attualità, economia, letteratura, filosofia, Internet e politica.
Ecco il link alla pagina dell'evento e la sua descrizione:

Dall'intuizione di Galileo Galilei ai sogni di Richard Feynman: come un microscopio può diventare un nanoscopio senza violare le leggi della fisica.

Grazie alle Nanotecnologie, siamo oggi in grado di operare sulla materia a scala atomica e molecolare, aprendo così la strada ad infinite applicazioni per le discipline scientifiche e le pratiche umane.
Ma lavorare con le Nanotecnologie significa anche andare oltre i limiti classici dell'ottica, senza violare le leggi della fisica. Se Galileo con il suo cannocchiale rivoluzionò l'astronomia, la nano-ottica sta cambiando il modo di studiare la biologia cellulare introducendo super-microscopi che permetteranno di "vedere" organi e tessuti al livello nanometrico.

In questo evento web, Alberto Diaspro, Direttore del Dipartimento di Nanofisica dell'Istituto Italiano di Tecnologia, risponderà ai vostri quesiti e alle vostre curiosità dopo una breve introduzione alla materia. Chiunque potrà inviare domande, votare quelle altrui e discutere in chat.

Questa non è che la prima di una serie di lezioni-web interattive curate dall’Istituto Italiano di Tecnologia in collaborazione con Oliproject per raccontare al grande pubblico lo stato dell’arte della ricerca di base e applicata in campi che spaziano dalle nanotecnologie alle neuroscienze .

Immagini dal nanomondo

La frase di Feynman che ho citato in uno dei primi post riguardo alle meraviglie invisibili che la scienza ci rivela si adatta benissimo anche a ciò che vi voglio mostrare ora. Le immagini qui sotto, in cui scienza e arte si fondono nel mostrarci i quasi onirici paesaggi dell'ultrapiccolo, sono tratte da "Blowup. Immagini del nanomondo", un progetto del Centro Nazionale S3 di Modena del CnrNano.

Punta d'oro usata per “leggere” la superficie di campioni con la tecnica di microscopia ottica a campo prossimo (SNOM). La punta è stata assottigliata per aumentare la precisione delle letture. L’apice misura poche decine di nanometri. Esperimento: G.C. Gazzadi, CnrNano Modena – P.Gucciardi, CNR-IPCF, Messina, Artwork: Lucia Covi

Leva di dimensioni nanometriche ‘scolpita’ nel silicio con un fascio di ioni focalizzati. Una nanostruttura di questo tipo, sospesa e libera di oscillare, può funzionare come una bilancia ultra-sensibile, fino a oggetti di pochi femtogrammi (un femtogrammo è 10^(-15)g). Potrebbe essere impiegata come biosensore per virus o molecole biologiche. La leva è lunga 2 micrometri, larga 215 nanometri e spessa 140 nanometri. Esperimento: , G.C.Gazzadi, S. Frabboni, CnrNano Modena. Artwork: Lucia Covi

Foro su uno strato di polietilene, di diametro pari a 6 micron: per ‘scolpire’ la materia con precisione micrometrica come in questo caso si usano fasci di ioni focalizzati. Esperimento: G.C. Gazzadi, CnrNano, Modena. Artwork: Lucia Covi.

Esempio di nanolavorazione di superfici: dettaglio di un foro micrometrico scavato in uno strato ultrasottile di nitruro di titanio; il titanio rende la superficie sottostante resistente all’usura e i fori riducono l’attrito alla macroscala. Esperimento: G.C. Gazzadi, S3 CnrNano Modena e STARsrl, Modena. Artwork: Lucia Covi.

Introduzione alla nanotecnologia

La nanotecnologia è la disciplina che si occupa di come manipolare la materia alla scala atomica e molecolare. Il suo scopo è quello di sviluppare strutture e dispositivi controllandone le caratteristiche alla scala nanometrica (10^(-9)m). A questa scala diventano rilevanti gli effetti quanto-meccanici mentre forze come l'attrito e la gravità che dominano la dinamica dei corpi macroscopici risultano trascurabili.
Alla base della nanotecnologia c'è la nanoscienza: in questa categoria rientrano a buon diritto tutte le scienze che studiano fenomeni naturali che avvengono alla nanoscala; a questo livello, infatti, fisica chimica e biologia convergono in questo unico campo di studi dove i confini tra le discipline sono molto sfumati e interdisciplinarità è la parola d'ordine.
Come idea, le nanotecnologie nacquero nel 1959 quando Richard Feynman tenne l'ormai leggendaria conferenza dal titolo "There's Plenty of Room at the Bottom" (C’è un sacco di spazio laggiù) in cui veniva introdotta l'idea che dal mondo dell'ultra-piccolo sarebbero potuti arrivare grandi cambiamenti a livello macroscopico.
Tuttavia, la vera nascita della nanoscienza e della nanotecnologia coincide con l'introduzione dei microscopi a scansione che, per la prima volta, hanno permesso di vedere e manipolare direttamente atomi e molecole (la figura in alto mostra proprio l'immagine di alcuni atomi di platino ottenuta con un microscopio a scansione).
Oggi le applicazioni pratiche della nanotecnologie sono in rapido sviluppo e senza che ce ne rendiamo conto prodotti nanotecnologici stanno entrando nella nostra vita di tutti i giorni; l'industria dell'elettronica, quella chimica e l'ingegneria dei materiali sono campi in cui la nanotecnologia trova quotidianamente, già oggi, un largo utilizzo.

Tuttavia il potenziale della tecnologia dell'ultrapiccolo è ancora ben lontano dell'essere pienamente sfruttato, rivoluzionarie si prospettano le applicazioni alla biologia ed alla medicina. Come ci mostrano la biologia molecolare e la biochimica, gli organismi viventi non sono altro che complessissimi e raffinati meccanismi molecolari il cui funzionamento si potrebbe controllare con metodi nanotecnologici. La vita in sé, del resto, è un vero e proprio esempio di avanzatissima nanotecnologia "naturale" forgiata dall'evoluzione in milioni di anni.

L'ultima frontiera della nanotecnologia, al momento ancora molto distante, sarà probabilmente quella teorizzata dal pioniere delle nanotecnologie Eric Drexler che, nel 1986 pubbicò il libro "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology", nel quale riprendendo le idee di Feynman introduceva il concetto di "assemblatore molecolare": una nanomacchina capace di costruire copie di se stessa e di qualunque altro oggetto di arbitraria complessità partendo solo dai suoi componenti chimici grezzi e dalla conoscenza della sua struttura atomica. Questa branca della nanotecnologia ancora nella sua infanzia, comunemente chiamata "nanotecnologia molecolare", è strettamente connessa con la così detta nanorobotica: il campo di ricerca di chi si occupa di come creare robot alla scala nanometrica.

Scriverò ancora sulla nanotecnologia ma per chiudere questo post voglio mostrarvi questo video che permette di intuire fino in fondo le potenzialità future delle nanotecnologie. Il video realizzato da Zyvex (la prima azienda ad occuparsi di nanotecnologia molecolare) mostra quello che potrebbe essere il funzionamento di un sistema produttivo alla nanoscala in grado di comportarsi come gli assemblatori molecolari proposti da Drexler.

Quello che vedrete in questo video per ora è un sogno; un sogno che, però, grazie alla passione, l'impegno e la fantasia di migliaia di scienziati in tutto il mondo potrebbe divenire realtà.