Recentemente usando i nanotubi, nei laboratori Honeywell a Morristown nel New Jersey, Ray Baughman ha costruito un nanodispositivo singolare: si tratta di una lamina che si piega in risposta ad un campo elettrico applicato: nulla di straordinario se non fosse che il dispositivo ha le dimensioni di qualche decina di nanometri.
È un esempio di NEMS: converte energia meccanica in un segnale elettrico e viceversa.
Ma i nanotubi possono essere impiegati anche per costruire ruote e ingranaggi.
I ricercatori del NASA Ames Research Center hanno simulato alcuni di questi meccanismi.
Legando del benzino (C6H4) all’esterno di un nanotubo di carbonio si possono, infatti, realizzare delle ruote dentate come quelle di figura 4; per muoverle basta colpirle con un raggio laser ed esse raggiungono una velocità di rotazione di circa 100 miliardi di giri al secondo!
La meccanica su scala nanometrica
Davvero si può pensare ad una meccanica su scala nanometrica?
Le premesse ci sono; con le ruote di carbonio si può pensare a ingranaggi come illustra le figura 5: tutto sulla scala di qualche nanometro.
Possiamo costruire dei cuscinetti 10.000 volte più piccoli di un capello umano? Alex Zettl e John Cumings dell’Università di California Berkeley ci hanno provato impiegando anche in questo caso un nanotubo di carbonio.
Per riuscire nel loro intento hanno inserito all’interno di un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) un microscopio ad effetto tunnel (STM).
Il microscopio STM è normalmente usato per osservare la superficie di materiali con la risoluzione atomica, ma nell’esperimento di Zett e Cumings esso serve per manipolare i nanotubi mentre con il TEM si osservano in tempo reale i risultati della manipolazione: una sorta di braccio meccanico controllato da una telecamera, solo che in questo caso STM e TEM sono in grado di manipolare e di osservare “nanocose” grandi un miliardesimo di metro.
Con questo strumento sono riusciti a costruire un cuscinetto facendo scorrere tra di loro due nanotubi concentrici come mostrato nella figura 7; trascinando avanti e indietro e/o ruotando il nanotubo interno con la punta del microscopio STM, hanno dimostrato la possibilità di fare un cuscinetto con caratteristiche straordinarie: il sistema, infatti, non presenta i consueti fenomeni di usura e di fatica dei cuscinetti tradizionali, ma può scorrere e rotolare indefinitamente.
L’esperimento ha prodotto anche altri risultati di rilievo; durante uno dei cicli di scorrimento, si spezza la punta del microscopio STM e i ricercatori osservano che il nanotubo interno viene spontaneamente risucchiato da quello esterno.
È un esempio dell’azione delle forze di Van der Waals che su scala nanometrica producono effetti rilevanti; siamo di fronte al primo esempio di una molla molecolare, o meglio, usando la terminologia corrente, di una nanomolla che può essere di grande utilità per la nanomeccanica del futuro.
La strada per la costruzione di “ un robot in grado di manipolare e aggregare singoli atomi o molecole con la precisione atomica anch’esso più piccolo di un cubo di 100 nanometri di lato “ obiettivo da raggiungere per ottenere il premio offerto dal Foresight Institute è chiaramente indicata e i nanotubi di carbonio e i fullereni sembrano essere i materiali più adatti per la sua realizzazione.
Ma il nanotubo di carbonio possiede anche delle interessanti proprietà elettriche poiché, a seconda del suo diametro, può condurre la corrente elettrica come un metallo, o come un semiconduttore.
È possibile fare dei transistors o dei diodi, i mattoni dell’ elettronica, come illustrato nella figura 8 dove si vede il FET (field-effect transistor) realizzato presso i laboratori IBM di Almaden.
Molti gruppi di ricerca hanno già realizzato dei dispositivi elettronici basati sull’ impiego dei nanotubi usando metodi diversi.
Per esempio il transistor ad effetto campo della figura 8 è stato costruito disponendo un singolo nanotubo semiconduttore tra due elettrodi metallici: un tubo di carbonio dove la corrente che lo attraversa può essere interrotta applicando una differenza di potenziale sul terzo elettrodo (gate).
Nel caso specifico l’elettrodo di gate può modificare la corrente che fluisce attraverso il canale del nanotubo di un fattore 106 o più, paragonabile ai valori ottenuti con i FET a silicio.
I diodi sono stati costruiti unendo un nanotubo con caratteristiche metalliche a uno semiconduttore: la giunzione così ottenuta si comporta come un diodo tradizionale, permettendo alla corrente di fluire in una sola direzione.
Si possono fare anche elementi di circuiti come, per esempio, i cavi schermati: basta circondare un nanotubo metallico con uno semiconduttore o isolante ed il cavo è fatto.
Con un po’ di fantasia si può pensare a realizzare interi circuiti fatti esclusivamente di carbonio con caratteristiche simili o migliori delle versioni convenzionali, circuiti che possano combinare le proprietà dei metalli con quella dei semiconduttori senza la necessità di drogare, ma combinando semplicemente nanotubi di differente spessore, col vantaggio, rispetto ai circuiti di silicio attuali, di essere incredibilmente più piccoli.
Nel cubo di 50 nm di lato del calcolatore oggetto del premio del Foresight Institute ce ne potrebbero stare qualche migliaia.
Se un giorno si arriverà a costruire computer usando circuiti costituiti da nanotubi, si è calcolato che la frequenza operativa di una CPU potrà tranquillamente arrivare ad 1 Terahertz (1000 Gigahertz) ed oltre.
E qualcuno all’ IBM ci sta arrivando : è Ph. Avouris che recentemente ha mostrato la possibilità di costruire matrici di FET: il primo chip al carbonio.
La notizia ha fatto il giro del mondo e la nostra stampa nazionale annunciava la notizia come “Addio silicio, l’ Ibm prepara il chip al carbonio” o “Creato il chip molecolare”.
Insomma, il silicio, che finora è stato il re incontrastato del mondo della microelettronica, è sul punto di cedere il suo scettro al carbonio ? E’ difficile dirlo: siamo ancora lontani da una produzione di massa di dispositivi molecolari.
Tutti questi esperimenti necessitano di una combinazione di tecniche di avanguardia che vanno dalla litografia tradizionale per la costruzione degli elettrodi, all’ impiego dei microscopi a forza atomica per la manipolazione dei nanotubi, un insieme di tecnologie che per il momento è di difficile impiego su scala industriale, ma che presto potrebbe diventare di uso comune: il passaggio all’ età post silicio potrebbe essere molto più rapido di quanto si possa immaginare.