Avete mai sentito parlare di “nanotecnologia”?
Se si avvererà quanto da essa promesso dovremo gridare al miracolo. Se vedessimo oggi i suoi prodotti sono sicuro che rimarremmo a bocca aperta. Ma andiamo con ordine. Ogni cosa che ci circonda, compresi noi stessi, è composta di “atomi” estremamente complessi da manipolare singolarmente: le dimensioni dell’atomo più piccolo, quello di idrogeno, sono circa un decimo di un miliardesimo di metro; in una goccia d’acqua ne troviamo mille miliardi di miliardi!
Eppure la nanotecnologia, oggi in rapido sviluppo, ci consentirà di spostare e collocare gli atomi a nostro piacimento; per esempio, prendendo un pezzo di carbonio (di cui è fatta la comune matita), modificando la struttura delle singole molecole e disponendole in modo appropriato si potrebbe ottenere un diamante!
La sfida della nanotecnologia è proprio questa: trasformare la materia a nostro piacimento utilizzando delle “nanomacchine” capaci di agire sui singoli atomi.
La nanotecnologia si chiama così perché opera a livello del “nanometro” (un miliardesimo di metro; un capello ha un diametro medio di 75.000 nanometri). Fu teorizzata da R. Feynman, premio Nobel per la fisica; ma il termine e tutta la sua concezione si devono a K.E. Drexler che nel 1986 scrisse un libro (Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology) che è una sorta di manifesto della nuova tecnologia. Nel quarto capitolo di questo libro Drexler parla di auto-replicazione: così come le cellule costruiscono copie di se stesse per riprodursi, allo stesso modo i robot molecolari progettati dall’uomo potrebbero fare altrettanto.
Le enormi spese di ricerca sulla progettazione e costruzione del primo robot molecolare auto-replicante verrebbero ripagate dal costo necessario per produrre gli altri robot: miliardi e miliardi di tali robot sarebbero più economici di una insalata comprata dal fruttivendolo!
Oggi gli scienziati prevedono che la rivoluzione nanotech raggiunga la sua maturità tra il 2040 e il 2050 mettendoci a disposizione: trasformazione della materia e sua duplicazione, computer microscopici delle dimensioni di 1/100 di micron cubico (un micron è pari ad un milionesimo di metro, per cui il computer base del futuro sarà come un cubo il cui lato è appunto 1/100 di micron!), la conquista dello spazio, la demolizione definitiva dei rifiuti, ecc.
Quasi certamente la materia prima per i nanoutensili sarà costituita da atomi di carbonio perché leggero e molto resistente; poiché le molecole che si basano sul carbonio sono chiamate “diamantoidi”, molti autori già parlano di “Era del diamante” in analogia con l'”Era della pietra”, del “Bronzo” e del “Ferro” in cui gli uomini hanno fabbricato strumenti di tali materiali.
La nanotecnologia è un campo in forte espansione su cui stanno cominciando a lavorare i migliori gruppi di ricerca di tutto il pianeta. Europa, Stati Uniti e Giappone stanziano ogni anno ingenti somme per la ricerca perché sono convinti che la nanotecnologia sarà la chiave di volta del prossimo futuro.
D’altra parte anche la natura utilizza nanostrutture per realizzare i suoi obiettivi: le cellule, di cui siamo composti tutti noi, contengono dei “meccanismi” chiamati “ribosomi”, dell’ordine dei 20 nanometri, che hanno il compito di costruire le molecole di tutte le possibili proteine secondo le istruzioni contenute nel DNA. Gli scienziati hanno decodificato buona parte della struttura atomica dei ribosomi e uno dei primi frutti della ricerca nanobiotecnologica sono farmaci capaci di bloccare i ribosomi batterici e quindi le infezioni da essi provocate. Le foglie di alcune piante, grazie ad una superficie rugosa, sfruttano l’effetto “loto”, che consente di far scivolare l’acqua e la sporcizia in modo estremamente efficace.
Sfruttando lo stesso principio a livello nanometrico, gli scienziati hanno prodotto delle pitture per esterni su cui l’acqua scivolando via porta con se lo sporco. E’ molto facile tenere pulite le ceramiche sanitarie se costruite con una struttura a “loto”.
A livello atomico la natura utilizza il processo di “fotosintesi” che capta l’energia necessaria alla vita sulla Terra.
Se si riuscirà a riprodurre il processo a livello nanotecnologico si disporrà di risorse energetiche illimitate.
I gechi che si arrampicano sui muri e si fermano, anche con una sola zampa, sui soffitti delle case fanno abbondante ricorso alla nanotecnologia: i loro polpastrelli sono ricoperti di una fittissima peluria che si avvicina a qualche nanometro dal supporto ricoprendo vaste aree; a questo punto entra in gioco una debole forza (legame di Van der Waals), che moltiplicata però per i milioni di punti di aderenza è in grado di sostenere il peso del geco. Anche in questo caso gli scienziati sperano di produrre a breve un “geco sintetico” per gli evidenti vantaggi che materiali con queste caratteristiche possono portare nella vita quotidiana.
Tuttavia le possibilità della materia vivente sono limitate perché non sopporta le alte o le basse temperature, non conduce opportunamente l’elettricità, non presenta la rigidità dei metalli, ecc. La tecnologia attuale permette invece di creare condizioni estreme nelle quali la materia rivela proprietà sorprendenti a livello atomico. Infatti quando le grandezze in gioco raggiungono il livello dei nanometri, cominciano a manifestarsi i comportamenti quantistici che si differenziano notevolmente da quelli offerti dalle leggi fisiche che sperimentiamo ogni giorno.
La nanotecnologia è e sarà sempre più utilizzata nelle scienze: telescopio a raggi X, microscopio a scansione di forze, processi litografici per la produzione dei chip, produzione di aerogel, informatica. Proprio in questo settore fra non molto avremo intere biblioteche a portata…di polso e le comunicazioni mobili interattive saranno tecnologie di uso comune.
E l’informatica rappresenta un tipico esempio di come la nanotecnologia aiuta a superare limiti tecnologici.
Ormai i circuiti elettronici sono così miniaturizzati che si stanno raggiungendo i limiti fisici della materia: non possiamo costruire transistor più piccoli dell’atomo. E già oggi su pochi centimetri quadrati di alcune schede alloggiate nei nostri PC troviamo più di un miliardo di transistor! E grazie ad alcune strutture di nanotubi in carbonio, conduttori di prima qualità capaci di sopportare anche tensione meccaniche all’interno dei chip, si stanno cominciando a studiare chip tridimensionali in cui la componentistica elettronica segue la via della terza dimensione. E che dire della “spintronica”? Nuovi elementi dei circuiti utilizzerebbero non solo le cariche elettriche degli elettroni, ma anche i loro spin aprendo così uno spiraglio sulla possibilità di costruire un calcolatore quantistico.
E si potrebbe continuare all’infinito perché i campi di applicazione della nanotecnologia sono potenzialmente enormi: trasporti (p.es. celle a combustibile), sanità (p.es. sensori OLED installati negli imballaggi degli alimenti pronti a dare informazioni sulle carenza di qualche sostanza nell’organismo quando toccate con le dita, creme a nanoparticelle di zinco che riparano dalle radiazioni ultraviolette, farmaci veicolati da apposite strutture cave e rilasciate in loco, laboratori microscopici con cui fare analisi in loco (labs on chip), neuro protesi, ecc.), energia e ambiente (infatti la riduzione delle dimensioni comporta un drastico abbattimento del consumo di energia e di materiali, produzione della termoelettricità, ecc).
E in futuro? Con i robot auto-replicanti (assemblatori) potremmo “costruire” case, utensili da cucina, automobili, arredi, strumenti medici, navi spaziali, ecc. con costi enormemente più bassi di quelli attuali; con che cosa costruiremmo tutto ciò? Con atomi, energia, software (come i programmi che utilizziamo nei nostri PC) e il tempo.
Un’altra applicazione della nanotecnologia oggi prevedibile è la “utility fog”, una nuvola di microscopici robot interconnessi (e più semplici degli assemblatori) in grado di cambiare forma e proprietà per formare oggetti diversi. Verrebbero così evitati gli sprechi che oggi facciamo di tante risorse del pianeta! Dobbiamo solo sperare che l’umanità comprenda l’enorme vantaggio della nanotecnologia e non si butti a capofitto nelle ricerche militari di nanorobt capaci di entrare penetrare le linee nemiche senza essere avvistati.
Dopo questa breve panoramica ci si potrebbe chiedere: ma come si diventa nanoingegneri? In un tipico centro di ricerca impegnato in questo campo lavorano fianco a fianco fisici, biologi, chimici, ingegneri delle più svariate specializzazioni, mineralogisti, cristallografi, ecc. accomunati tutti dalla passione per l’atomo e parlanti tutti la stessa lingua: la matematica.
Molti corsi di studio scientifici portano alla nanotecnologia, anche se cominciano ad affermarsi corsi specifici della disciplina.
In ogni caso è da tenere bene a mente che per i nanoingegneri è indispensabile una solida formazione scientifica comprensiva di matematica. Non basta sognare di progettare un sottomarino che viaggi nelle vene, ma occorre tempo e lavoro per arrivare a tanto. Occorre descrivere le cose che interessano in modo matematico ed è necessario avere un’ottima conoscenza di materie come la fisica e la chimica. Il sottomarino nelle vene era un film.
La nanotecnologia è un’altra cosa che può diventare anche redditizia.
[Dott. Carlo di Mauro – fisico]