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Le nanotecnologie sono un ramo della scienza applicata e della tecnologia e si occupano del controllo della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro, normalmente tra 1 e 100 nanometri, e della progettazione e realizzazione di dispositivi in tale scala. Per chiarezza il nanometro (simbolo nm) è un'unità di misura di lunghezza, corrispondente a un milionesimo di millimetro. Si veda la figura 1 che mostra le dimensioni caratteristiche delle strutture biologiche fondamentali e le dimensioni dei transistor (nel 1970 10 micron adesso circa 100nm).
Figura 1. Le lunghezze caratteristiche della nanotecnologia.
La nanotecnologia costituisce un ambito d'investigazione altamente multidisciplinare, che coinvolge molteplici indirizzi di ricerca che vanno dalla biologia molecolare alla chimica, dalla scienza dei materiali alla fisica fino all'ingegneria meccanica ed elettronica.
Il termine nanotecnologia fu utilizzato per primo da Kim Eric Drexler nel suo libro del 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology.
Le applicazioni delle nanotecnologie si sviluppano peraltro rapidamente, e interessano potenzialmente tutti i settori dell’industria e dell’economia. La figura 2 mostra le previsioni dei posti di lavoro negli ambiti della nanotecnologia. La pervasività delle applicazioni nanotecnologiche è dovuta soprattutto all’impatto sui materiali: dal legno al tessile (la modifica delle superfici permette di ottenere filati e tessuti con elevate prestazioni meccaniche e maggiore leggerezza) fino ai materiali cementizi autopulenti. Le nanotecnologie trovano inoltre applicazioni nell’abbattimento degli inquinanti e nella produzione di pannelli fotovoltaici. I rivestimenti nanostrutturati anti-corrosione e decorativi sono l’alternativa alla cromatura di rubinetti, maniglie, occhiali, e altri componenti soggetti a corrosione. Numerose le applicazione nel campo dell’industria biomedica: dalla fabbricazione di protesi ossee e dentali, alla diagnostica e sensoristica biomedica, alla ingegnerizzazione di molecole farmaci per la cura di malattie. Le nanotecnologie trovano infine un ambito di applicazione significativo nel campo dell’elettronica. Tramite le applicazioni delle nanotecnologie si possono realizzare transistor su scala nanometrica e dispositivi quantistici con maggiori funzioni (computazione quantistica) rispetto a quelli classici utilizzati correntemente nell’industria elettronica.
Figura 2. Numero dei posti di lavoro in nanotecnologia (in milioni) e percentuale sul totale dei posti in ambito manifatturiero. Fonte: Lux Research 2004
Il progresso tecnologico e` legato, da almeno cinquanta anni, al concetto di miniaturizzazione. Per rendersene conto basta confrontare una radio moderna con quelle del dopoguerra, o pensare che un calcolatore di potenza inferiore a quella di un attuale personal computer negli anni ottanta occupava un’intera stanza, oppure, per fare un esempio sotto gli occhi di tutti, alla riduzione di dimensioni che hanno subito i telefoni cellulari dalla loro comparsa ad adesso.
Ma se negli anni sessanta spopolava il suffisso “mini” che in confronto a “maxi” indicava una riduzione da dimensioni del metro a quelle dei centimetri, e successivamente si affermo` la contrapposizione macro-micro, ovvero la riduzione dalle dimensioni visibili a quelle invisibili a occhio nudo (un micro-metro, o micron, e` pari a un millesimo di millimetro), oggigiorno il confine della miniaturizzazione e` il nano-metro (pari ad un milionesimo di millimetro), un limite estremo che forza a riconsiderare il modo in cui si concepisce la realta`. Infatti, a queste scale la materia rivela i suoi componenti base – atomi, composti da nuclei ed elettroni – per i quali le leggi della fisica classica con le quali, consapevoli o meno, abbiamo continuamente a che fare nel nostro mondo macroscopico, non valgono piu’. In nano-mondo e` infatti il reame della meccanica quantistica, una teoria ideata da un manipolo di menti non convenzionali agli inizi del ‘900, che presenta aspetti per nulla intuitivi, come la delocalizzazione spaziale degli elettroni, o l’intrinseca suddivisione dell’energia in unita` discrete – i “quanti”, appunto. A dispetto, o piuttosto, grazie a questi aspetti cosi’ peculiari, la meccanica quantistica riesce a spiegare con grande precisione i fenomeni che intercorrono tra i componenti della materia, che a loro volta sono alla base del funzionamento di tutti i moderni dispositivi elettronici, e quindi parte fondamentale della nostra esistenza.
Per sfruttare questi fenomeni per applicazioni utili e` necessario avere la capacita` di selezionare materiali con opportune caratteristiche e plasmarli in forme volute su scale immensamente piccole. Di fatto l’enorme sviluppo dell’elettronica negli ultimi decenni e` dovuto all’abilita` tecnica di disegnare circuiti integrati con milioni di componenti su placchette di silicio delle dimensioni di millimetri (i “chip”). Si parla in questo caso di micro-elettronica. Ma la spinta alla miniaturizzazione non si e` fermata: si mira attualmente a raggiungere un limite in cui i singoli componenti hanno dimensioni quasi atomiche e il loro l’insieme, il “dispositivo” e` sulla scala dei mano-metri. Questo darebbe la possibilita` di sfruttare a pieno le peculiarità dei fenomeni quantistici, e i vantaggi in termini di potenza del dispositivo, risparmio di spazio e anche risparmio energetico potrebbero essere enormi. E in un mondo che si basa ormai in maniera sempre crescente sull’utilizzo e la trasmissione veloce dell’informazione e che per di piu’ ha sempre meno risorse energetiche a disposizione, questi vantaggi non sono trascurabili.
L’insieme delle tecniche che consentono di controllare la forma della materia al livello nanometrico, osservare e spiegare i fenomeni peculiari che ivi accadono, prevederli e utilizzarli, prende il nome di nano-tecnologia. Ma mentre per fabbricare i circuiti integrati dei chip l’approccio usato e` di “scolpire” pezzi di materiale piu’ grandi fino ad arrivare alle dimensioni e forme volute, sulla nano-scala questo diventa sempre piu’ complesso. L’approccio inverso, cioe` l’assemblaggio a partire dai costituenti, d’altra parte presuppone un maggiore controllo sulla materia ed eventualmente la capacita` di progettare elementi auto-assemblanti. Se a prima vista la costruzione di nano-machine e nano-dispositivi auto-assemblanti sembra pura fantascienza, bisogna pero’ considerare che esempi di questo processo esistono gia` in natura. Le cellule viventi funzionano grazie ad una fitta rete di interazioni tra “nano-macchine” biologiche. Queste sono le proteine e altre molecole (dette globalmente il “proteoma”) che si auto-assemblano a partire dai loro costituenti (amminoacidi) all’interno della cellula stessa sulla base di un progetto scritto all’interno del DNA (il “genoma”).
Le procedure di assemblaggio delle proteine sono state ottimizzate da alcuni miliardi di anni di evoluzione naturale, che pone la Natura in netto vantaggio rispetto all’uomo nella progettazione di nano-macchine. Percio’ un approccio sensato e` prendere umilmente spunto dalla Natura stessa, prima osservandola al livello nano-metrico, poi tentando di imitarla, manipolarla ed interagire con essa: tutte queste possibilta` e altre ancora vengono studiate da un nuovo settore della nano-tecnologia, la nano-bio-tecnologia – una delle ultime frontiera della ricerca scientifica e tecnologica – in cui si studiano i sistemi biologici al livello nano-metrico con metodologie e dispositivi un tempo tipici delle nano-tecnologie non biologiche, si tenta di costruire nano-dispositivi artificiali che mimano le funzioni delle proteine o si usano le proteine stesse in un contesto anche non biologico, oppure infine si mira a costruire dispositivi in parte biologici e in parte artificiali per interagire con la materia vivente.
Questa commistione che avviene al livello intimo tra materia biologica e non apre ad un’infinita` di applicazioni – alcune futuribili – nei piu’ disparati campi. Tra questi c’e` la nano-medicina. L’idea alla base di questa nuova emergente scienza e` diagnosticare e curare in maniera sempre meno invasiva e piu’ precisa, utilizzando la selettività come principio guida. In un futuro piu’ o meno vicino potremmo avere a disposizione delle nano-macchine che siano in grado, iniettate con una siringa, di esplorare tutto l’organismo, riconoscere una ad una le cellule cancerose e distruggerle, magari dopo aver segnalato la loro presenza, senza disturbare quelle sane. Alcuni dei “componenti” di queste nano-macchine, esistono gia` (ad esempio molecole segnalatrici fluorescenti che sono in grado di “accendersi” in presenza di specifiche condizioni ambientali, e molecole vettore in grado di portare all’interno della cellula sostanze medicinali). Pero’ in generale siamo ancora lontani dal loro assemblaggio o anche semplicemente da un loro utilizzo utile e standardizzato come singoli elementi.
Le nano-tecnologie e le nano-bio-tecnologie possono anche trovare applicazioni nel campo energie alternative. Gli attuali pannelli solari sono un’applicazione diretta delle nanotecnologie ed esistono progetti mirati alla costruzione di pannelli ad alta efficienza che traggono ispirazione dal modo in cui le piante riescono a sfruttare l’energia solare. Ancora una volta, si tratta di mimare processi che avvengono naturalmente nelle piante in specifiche proteine, a livelli nanometrici. Altre applicazioni sono nel campo della prevenzione dell’inquinamento: e` possibile immaginare ad esempio filtri “intelligenti” che agiscano al livello nanometrico selezionando e magari rendendo innocue le scorie dei processi industriali o semplicemente i gas di scappamento delle automobili.
Per concludere, una volta aperta la finestra sul nano-mondo si e` aperto un vaso di Pandora di possibilita`. Compito – e obbligo morale – della ricerca scientifica e tecnologica e` esplorarle tutte, senza limitazioni, perche’ non e` mai noto a priori da dove possono venire le applicazioni utili.
