Nanotecnologia la nuova frontiera della scienza

Dalla rivista:
Progettare

 
Pubblicato il 15 novembre 2001

Le applicazioni possibili sono straordinarie: anche la meccanica su scala nanometrica.

Nel campo della scienza e della tecnologia in questi ultimi anni è emersa una nuova parola magica “nano”.

Sono nate organizzazioni, industrie, associazioni professionali, agenzie governative, centri di ricerca, laboratori, corsi di laurea etc. che usano questa parola.

La Flinders University in Australia, per esempio, offre un corso di laurea in Nanotecnologia, stessa cosa fa l’Università di Washington con un corso di dottorato; in decine d’Università nascono corsi in “Nanomateriali”, “Nanoscienza”, “Nanotribologia”, “Nanoottica” e via discorrendo; il linguaggio scientifico si arricchisce di nuove parole come “nanostrutture”, “nanomanipolazione”, “nanocristallo”, “nanoelemento”, “nanotubo”, “nanofabbricazione”, “nanofilo”, “nanoelettronica”, “nanomacchina”; nascono nuove riviste scientifiche specializzate: il prestigioso Institute of Physics inglese pubblica dal 1990 Nanotechnology, la casa editrice Pergamon Press inizia nel 1992 la pubblicazione di Nanostructured Materials e da quest’anno l’American Scientific Publishers lancia Nanoscience and Nanotechnology, una rivista destinata ad avere un grande impulso in futuro.

La definizione di nanotecnologia

Ma cos’è la nanotecnologia? Che cosa s’intende con questa magica parola “nano”? Siamo di fronte ad una nuova era tecnologica o semplicemente ad una moda scientifica destinata a passare in fretta senza lasciare tracce?
La Nanotecnologia si propone di realizzare materiali, dispositivi e sistemi attraverso il controllo della materia a livello atomico, o come si suole dire nanometrico, poiché un nanometro in fisica è la lunghezza corrispondente ad un miliardesimo di metro.

Si assegna la nascita di questa parola al discorso di Richard Feynman tenuto il 29 dicembre 1959 alla riunione annuale dell’American Physical Society secondo cui « …I principi della fisica non impediscono la manipolazione della materia atomo per atomo», un discorso visionario dove il premio Nobel per la fisica ipotizzava scenari che allora potevano apparire fantascientifici, come la costruzione di piccoli robot meccanici per compiere delle operazioni chirurgiche dall’interno del corpo umano: un chirurgo “nano” in grado di introdursi nel cuore attraverso il sistema arterioso per operare.

«Macchine di questo tipo- diceva Feynman- potrebbero essere incorporate permanentemente nel corpo e assistere di continuo qualche organo che non funziona».

In onore di Feynman il Foresight Institute bandisce 250.000 dollari di premio per lo scienziato che per primo costruirà un calcolatore con dimensioni inferiori a quelle di un cubo di 50 nanometri di lato e un robot in grado di manipolare ed aggregare singoli atomi o molecole con la precisione atomica anch’ esso più piccolo di un cubo di 100 nanometri di lato.

Il premio non è ancora stato assegnato, ma non passerà molto tempo: gli scenari fantascientifici previsti da Feynman sono alla portata della scienza e della tecnologia dei nostri giorni.

Per esempio macchine con le dimensioni di qualche decina di micron (1 milionesimo di metro) sono già in uso nella tecnologia quotidiana: essi sono chiamati MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)e sono prodotti con la tecnologia del silicio.

La loro funzione è di convertire energia meccanica in un segnale elettrico od ottico e viceversa.

Tra questi è sufficiente ricordare l’accelerometro che nell’automobile innesca l’apertura dell’air bag al momento di una brusca frenata o al sistema che distribuisce il colore nelle stampanti a getto d’inchiostro.

Ma la vera sfida degli ingegneri e dei fisici sta ora nel miniaturizzare nella scala successiva: quella dei nanometri.

I sistemi elettromeccanici del futuro

Si chiamano NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) i sistemi elettromeccanici del futuro e, se i ricercatori riusciranno in questa sfida, avranno applicazioni straordinarie, da robot in miniatura a sensori sensibilissimi in grado di individuare le alterazioni genetiche responsabili di una malattia.

I NEMS sono sulla scala del miliardesimo di metro: se i MEMS avevano le dimensioni di un capello umano ora siamo su una scala mille volte più piccola.

È una nuova frontiera della scienza e dell’ingegneria, dove i dispositivi meccanici potranno interagire direttamente con i sistemi biologici avendo gli uni e gli altri dimensioni comparabili: una molecola di DNA misura infatti circa due nanometri di diametro.

Ma come sono fatti questi NEMS? Quali materiali usano? Quali sono le possibili applicazioni? Mentre il carbonio trova numerose applicazioni negli impieghi industriali dove si richiedono materiali leggeri e robusti, il fullerene, suo nanoaggregato, terza forma allotropica dopo il diamante e la grafite, in virtù delle sue proprietà singolari, è uno dei materiali più promettenti per la costruzione dei NEMS.

Il fullerene prende nome dall’architetto Buckmister Fuller, famoso progettista di cupole geodetiche a moduli pentagonali ed esagonali, le cosiddette buckyballs.

La figura 2 mostra un modello della molecola di C60, il primo nanoaggregato di carbonio scoperto, la cui struttura è quella di un icosaedro troncato, vale a dire quella di un icosaedro cui i 12 vertici sono stati troncati e sostituiti da un pentagono.

Questa rappresenta la molecola più simmetrica possibile, essa è “la più rotonda”delle molecole rotonde ed è perfettamente uguale ad un pallone da calcio.

Ma il C60 è solo il progenitore di queste straordinarie molecole: una forma particolare derivata dal fullerene è il nanotubo, scoperto nel 1991 nei prodotti di una scarica ad arco da un ricercatore giapponese, Sumio Iijima.

Un tipico nanotubo è illustrato nella figura 3: è un cilindro cavo, di qualche decina di nanometri di diametro, le cui pareti hanno la struttura di un foglio di grafite mentre le due semisfere, che ne chiudono le estremità, sono i 2 emisferi del C60.

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