Con questa scheda vogliamo aprire una finestra su un mondo nuovo, sterminato, fatto di nuovi materiali e di nuove soluzioni, destinato a diffondersi sempre di più in tutti i campi. I settori di applicazione delle nanotecnologie sono, infatti, pressoché illimitati e tutti i principali settori produttivi ne saranno sempre più influenzati. Con sicurezza possiamo affermare che nei prossimi decenni il campo delle nanotecnologie sarà quello di fondamentale confronto a livello scientifico e di competizione a livello tecnologico, con ricadute in campo sociale e commerciale oggi inimmaginabili. Diventa persino oggettivamente difficile pensare oggi ad un settore applicativo che possa rimanere del tutto escluso o toccato solo marginalmente dalle nanotecnologie.
Attraverso questi approfondimenti cercheremo di introdurre i lettori più curiosi sugli ambiti applicativi dell'architettura e dell'ingegneria, della manifattura e della meccanica, del settore aerospaziale e dell’automotive, della medicina, dell'elettronica, e di tantissimi altri ancora.
Avviamo il discorso da capo: per chi ha già informazioni sufficienti, sarà un ripasso, per qualcuno una scoperta sconvolgente, per tutti l’occasione di approfondimenti su un tema importante.
Quando nascono le nanotecnologie e chi ne è il padre?
Il 29 dicembre 1959 al California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena durante un meeting dell’American Physical Society, Richard Feynman (1918-1988 USA), considerato da tutti il padre delle nanotecnologie, tiene una conferenza intitolata “There’s plenty of room at the bottom” (“C’è moltissimo spazio in basso”) durante la quale suggerisce un processo attraverso il quale sarebbe possibile manipolare singoli atomi e molecole usando un set di normali strumenti meccanici di precisione, a sua volta utilizzato per costruire un altro set proporzionalmente più piccolo e così via fino alla scala atomica richiesta.
Feynman lancia anche una sfida: scrivere tutta l’Enciclopedia Britannica sulla capocchia di uno spillo, utilizzando atomi per formare i caratteri. Nel 1985 lo studente Tom Newman risolve un’altra sfida lanciata da Feynman riuscendo a incidere la prima pagina di un racconto di Charles Dickens in uno spazio di sei millesimi di millimetro, quindi diminuendo di 25.000 volte lo spazio normalmente occupato.
Ma come è possibile che questo possa avvenire, e con quali risultati pratici?
I materiali strutturati su dimensioni macroscopiche, quelle alle quali siamo abituati, o anche ridotti su dimensioni micrometriche, continuano a presentare proprietà e caratteristiche (fisiche, meccaniche, elettriche, magnetiche, ecc.) quasi identiche.
Queste proprietà e caratteristiche (fisiche, meccaniche, elettriche, magnetiche, ecc.) diventano invece sensibilmente diverse quando gli stessi materiali vengono strutturati su dimensioni nanometriche.
I materiali strutturati su scala nanometrica possono mostrare proprietà molto diverse rispetto a quelle che esibiscono alla scala per noi più consueta, che possiamo chiamare macro, permettendo di attivare applicazioni totalmente diverse, in molti casi del tutto uniche. Per esempio, sostanze opache diventano trasparenti (rame o ossido di zinco), materiali inerti diventano catalizzatori (platino, oro), materiali stabili diventano combustibili (alluminio), solidi diventano liquidi a temperature poco superiori a quella ambiente (oro), isolanti diventano conduttori (silicio), materiali fragili diventano resistenti (carbonio).
Il motivo principale di questo comportamento è il diverso rapporto tra il numero di atomi che sono presenti all’interno della struttura e quelli presenti alla sua superficie. Fondamentale chiarire meglio la questione delle misure. Va innanzitutto ricordato che un nanometro (nm) è pari a10-9 m, cioè a un miliardesimo di metro (o forse meglio, un milionesimo di millimetro); e che la doppia elica del DNA ha un diametro di circa 2 nm.A questa scala, diventano fondamentali forze come quelle di tensione superficiale e di Van der Waals (forze di attrazione intermolecolare che contribuiscono a mantenere unite le diverse molecole che costituiscono un materiale), mentre perdono di importanza altre forze, come ad esempio quella di gravità.
Tra 1 e 100 nanometri siamo degli atomi, ma non di singoli atomi o di molecole (che sono composte da 2 o più atomi); siamo alle dimensioni di aggregati di centinaia o migliaia di atomi.
Quindi dobbiamo intendere la Nanotecnologìa come “La tecnologia delle nanostrutture”, spostando il centro dell’attenzione dalle tecnologie in quanto tali alla nanostruttura che i materiali possono assumere.
Nanotecnologia non è infatti produrre una nuova molecola, come i chimici da sempre sanno fare, ma sapere aggregare atomi o molecole in numero limitato, con idonei e innovativi processi di manipolazione, ottenendo proprietà molto diverse rispetto a quelle che si ottengono aggregandole in grande numero (come fino ad oggi si è sempre fatto) e non altrimenti ottenibili.
E produrre materiali dotati di straordinaria forza, flessibilità, durata o leggerezza. Sono ormai una realtà i vetri e le facciate ventilate rese superidrofiliche o superidrofobiche che grazie al ciclo sole/pioggia restano pulite molto più a lungo. Sono commerciali i vetri in grado di riflettere un’alta percentuale di radiazioni IR diminuendo la necessità di condizionamento in estate e di riscaldamento in inverno. Numerosi sono ancora i problemi da superare, ma senza dubbio è questa la strada che può portare ai risultati più rivoluzionari e a realizzare le attese più ambiziose.
Sempre di più e sempre più diversificati sono i materiali “intelligenti”, in grado di modificare le proprie caratteristiche e funzioni in relazione a stimoli ambientali rilevati mediante nanosensori e attuatori. La loro implementazione e integrazione ci permetterà di sviluppare edifici “intelligenti” in grado di ridurre in modo molto sensibile i costi di gestione sia delle grandi opere pubbliche sia all’interno di abitazioni domestiche.
Utilizzi sempre più estesi sono previsti per le nanotecnologie in tanti altri settori.
Nel campo del tessile è infatti possibile produrre tessuti idrofobici, antimacchia, antiolio, antifiamma, antiscarica elettrica oppure in grado di proteggere da raggi UV e da onde elettromagnetiche.
Sono già presenti sul mercato, occhiali da sole e da vista che usano lenti antigraffio, antiriflesso e in grado di assorbire gli UV grazie a film ultrasottili e trasparenti.
Numerosi sono i vantaggi che le nanotecnologie possono portare in tutti i campi.
Ad esempio per la salvaguardia dell’ambiente, per rimediare a danni già esistenti e per evitarne di nuovi: nano sensori (utili per rilevare lo stato di sforzo meccanico a cui sono sottoposti gli edifici ed evitare disastri ambientali); nuovi sistemi illuminanti (ancora meno dispendiosi); nuove celle fotovoltaiche per pannelli solari ad efficienza migliorata, ecc.
Fondamentali miglioramenti le nanotecnologie potranno portare sviluppi nel campo delle biotecnologie, proprio per gli ordini di grandezza delle dimensioni dei principali costituenti biologici (cellule 1000 nm, virus 100 nm, proteine 10 nm) che sicuramente dovranno essere gestiti e controllati a livello nanometrico.
Potremo mettere a contatto o impiantare nel corpo umano nanosistemi in grado di monitorare in continuo i parametri fisiologici vitali (battito cardico, pressione, temperatura, livello di zuccheri, ecc.).
E grandi progressi nelle terapie cliniche saranno fatti grazie alla possibilità di localizzare i trattamenti di cura (ad esempio con farmaci a rilascio controllato) nelle sole zone malate.
Molto di tutto questo è stato già fatto, ma siamo ai primissimi inizi.
