Le Nanotecnologie

Alcuni appunti

Il termine "Nanotecnologia" fu coniato nel 1976 da Eric Drexler, il quale definisce così la "sua" scienza:

La Nanotecnologia è una tecnologia a livello molecolare che ci potrà permettere di porre ogni atomo dove vogliamo che esso stia. Chiamiamo questa capacità "nanotecnologia", perché funziona sulla scala del nanometro, 1 milionesimo di metro."

Il prefisso nano- indica una grandezza matematica pari a 10-9: si tratta dunque di una tecnologia a livello atomico, una scala che vede confondersi le applicazioni della chimica con quelle della fisica, l'ingegneria genetica con la quantistica.
Nel campo dell’ingegneria genetica, possiamo trovare l'esistenza in natura di nanomacchine: "....i ribosomi per esempio, sono organelli complessi costituiti da diverse subunità e costituiscono l'ambiente in cui vengono realizzate le istruzioni delle molecole (RNA messaggero e transfer) ...."
una vera e propria macchina programmabile per costruire molecole che può essere paragonata ad un registratore magnetico. La nanotecnologia agisce sulla natura delle connessioni fra gli atomi, dalla quale risulta la proprietà della materia. Gli strumenti di questa tecnologia consistono in "macchine" microscopiche in grado di agire su singoli atomi.
Il futuro aperto dalle nanotecnologie e dal loro eventuale " uso corretto ed approccio costruttivo" prevede l'assemblaggio di atomi e molecole in maniera automatica come avviene in natura; secondo un modello teorico ideato nel 1966 da Van Neumann, uno dei padri dell'informatica.
Egli definì la struttura e le procedure operative di un sistema di costruzione generale programmabile costituito da due componenti fondamentali: il computer universale ed il costruttore universale.
Il primo contiene le istruzioni che guidano l'arto in dotazione al secondo nella realizzazione di manufatti e nella replica dei sistemi. La macchina poteva essere programmata per costruire anche strutture complesse assemblando componenti elementari ed era in grado di autoreplicarsi, nell'intento di contenere fortemente i costi produttivi.
Una volta riprodotti entrambi i componenti, il programma del computer universale viene copiato sulla nuova unità rendendo così disponibile una nuova macchina autoreplicante.

Nell’applicazione industriale della nanotecnologia vi sono due diverse fasi:
1) il piano di costruzione finale dell’oggetto (sia esso un motore per astronave, una terapia per il cancro o una ricetta di cucina) che sarà registrato in una prima macchina, il seme.
Il seme conterrà un "nanocomputer", vale a dire un processore in possesso di un meccanismo logico su scala atomica, della capacità di 1 miliardo di bytes stivato in 1 micron cubico, pari a 1 millesimo del volume di una cellula umana. La prima generazione di assemblatori, delle dimensioni di 1 submicron, si moltiplicherà esponenzialmente duplicando se stessa.
La nanomacchina-seme sarà iniettata in un fluido viscoso contenente migliaia di miliardi di nanomacchine "assemblatrici" generate da quella prima, singola copia, ciascuna con il proprio nanocomputer, che agiranno seguendo le istruzioni del piano. Questa seconda generazione di macchine costruirà il prodotto finito vero e proprio, muovendosi agevolmente in un liquido che trasporterà anche le materie prime e fungerà da raffreddamento. L’energia sarà fornita dal sole, come dimostra quella straordinaria forma di nanotecnologia che è la sintesi clorofilliana.

La rivoluzione nanotech è "prevista" intorno alla metà del XXI secolo. Fra le conquiste scientifiche che la nanotecnologia metterà nelle nostre mani (alcune di queste, nell'opinione corrente sono già associate all'ingegneria genetica) ci sono la trasformazione della materia a livello atomico e la sua duplicazione, computer delle dimensioni di 1/100 di micron cubico, la conquista dello spazio, la definitiva demolizione dei rifiuti, la messa a punto di nuovi materiali resistenti come il diamante, una medicina che agisce selettivamente sulle molecole, la ricostruzione in vitro di tessuti organici, un'anestesia estremamente efficace, un prolungamento della vita molto vicina all'immortalità, fino ad arrivare a quello che purtroppo è l'aspetto inaccettabile dello sviluppo di queste tecnologie: sconvolgenti novità nella costruzione di armi di distruzione di massa.

L’agenzia americana che si occupa di ricerche militari progetta di mettere a punto nei prossimi due anni dei MAV (Micro Air Vehicle) (Veivoli Micro Aerei): dei robot-spia lunghi 15 cm che saranno in grado di volare da 20 a 60 min. e di raggiungere una velocità pari a 70km/h. Tali apparecchiature andranno dove i soldati di fanteria non vanno e riveleranno delle immagini preziose come vedute aeree o interni di edifici. Grazie alle nanotecnologie questi dispositivi potranno infine avere le dimensioni di una mosca, si sposteranno in sciami e saranno in grado, oltre che di spiare, di attaccare. Riusciranno a sabotare le armi ed i materiali bellici e potranno diffondere malattie nei ranghi nemici. Sarà ben difficile combattere contro un esercito di soldati microscopici!

Quello che ci interessa mettere in evidenza, è come la nanotecnologia oggi, non sia affatto una chimera inseguita da qualche scienziato pazzo, ma un campo in fortissima espansione sul quale stanno lavorando i migliori gruppi di ricercatori di tutto il pianeta.
In Giappone il governo stesso dichiara che la nanotecnologia sarà la chiave di volta del futuro prossimo, e lo stesso MITI (il potentissimo ministero dell'industria e del commercio) stanzia fondi per la ricerca.
In Europa le conferenze sulle nanotecnologie sono seguite dai migliori scienziati, molte università (come quelle di Birmingham in Inghilterra e la Technical University in Danimarca) stanno impegnandosi nella ricerca.
Negli Stati Uniti ben 11 agenzie governative stanno sovvenzionando studi nulle nanotecnologie, tra questi il NIH (National Institutes of Health), la NASA, il DARPA, I dipartimenti dell'Energia e della Difesa. Le università più prestigiose stanno effettuando ricerca: MIT, Stanford, Cornell, Rice..
Insomma, sembra proprio che tutte le maggiori risorse umane e tecnologiche del pianeta stiano lavorando come non mai per far sì che la nanotecnologia si trasformi da sogno in realtà, e probabilmente questo accadrà in molto meno tempo di quanto ci aspettiamo.

Domani... la nanotecnologia sarà un’ulteriore sviluppo del potere dell’uomo sulla Natura: tutto potrà mutare e trasformarsi in qualsiasi cosa!; facilmente la nanotecnologia permetterà di sviluppare le prime forme d’intelligenza artificiale (IA).
"Se i termini Età della Pietra, Età del Bronzo ed Età del Ferro derivano dagli strumenti che gli essere umani hanno fabbricato, allora, la nuova era tecnologica in cui stiamo entrando potrà essere definita l’Era del Diamante."

Nanotecnologie, realtà o fantascienza?

Da pochi anni è nata una nuova disciplina che ancora fa discutere molto scienziati e ricercatori essendo a cavallo tra la scienza e la fantascienza. In realtà spesso è la comunicazione sensazionalistica che ne viene fatta intorno ad alimentare questa fama.

In breve le Nanotecnolgie si pongono l'obbiettivo di creare dispositivi molecolari per i più vasti impieghi. Teoricamente parlando è infatti possibile realizzare sistemi meccanici costituiti da molecole che sfruttando le forze di attrazione molecolare realizzano strutture meccaniche mobili.

Qui in figura possiamo osservare una simulazione che la NASA ha fatto per la realizzazione di due ingranaggi "meccanici" usando molecole.

Ovviamente, almeno allo stato attuale, realizzare anche i meccanismi più semplici risulta difficilissimo (e costosissimo) quindi siamo ben lontani dalle previsioni dei ricercatori che parlano di micro-robot da usare in ambito medico, di agenti attivi capaci di costruire o macchine che si auto-riparano.

Tuttavia esiste una classe di "oggetti" costruibili con le Nanotecnologie che ha da subito ispirato impieghi molto pratici nell'ambito dei circuiti integrati: stiamo parlando dei Nanotubi.

Cosa sono i Nanotubi ?

Nel 1991 Sumio Iijima, ricercatore NEC, scoprì al microscopio elettronico dei filamenti nanoscopici presenti nella fuliggine, furono chiamati "Nanotubi". Quello che allora sembrava un curioso fenomeno della natura è visto oggi dagli scienziati come una delle possibili vie per superare i limiti fisici delle attuali tecniche di integrazione. Già adesso si costruiscono transistor con dimensioni critiche inferiori ai 200 nanometri (400 atomi circa) e nei prossimi 10 anni i progettisti si troveranno a toccare i limiti fisici fondamentali della materia. Come superare un tale scoglio? La speranza è appunto quella di poter utilizzare i Nanotubi. I Nanotubi sono sottilissimi filamenti di carbonio con un diametro tipico di circa 1 nanometro (0,001 micron). Possono essere sia a strato singolo (un tubo costituito dalla sola parete esterna) o a strati multipli concentrici (più tubi uno dentro l'altro).

FIGURA 1. Nanotubo confrontato con la litografia standard.


FIGURA 2. Struttura molecolare di un Nanotubo,
ai vertici degli esagoni sono posizionati gli atomi di Carbonio.

Gli atomi di carbonio che formano la parete del tubo hanno l'uno con l'altro legami chimici ordinati di tipo planare, del tutto simili alla grafite, il Nanotubo è infatti un piano di grafite avvolto a formare un tubo cilindico. La struttura cjhe ne risulta è tale da esibire proprietà chimico fisiche eccezionali: elevatissima resistenza alla torsione alla compressione e alla flessione, eccellente elasticità, elevato grado di purezza. Alle dimensioni di un Nanotubo regna sovrana la meccanica quantistica e particolari combinazioni di attorcigliamento e diamento del tubo possono trasformare il Nanotubo da Metallico in Semiconduttore e viceversa. I Nanotubi multistrato sono ancora più versatili e permettono di creare materiali con i livelli di energia desiderati.

FIGURA 2. Transistor FET realizzato con canale a Nanotubo.

Tutte rose e fiori ?

Molti istituti di ricerca sono riusciti con successo a creare transistor FET utilizzando un Nanotubo per creare il canale tra Source e Drain. Analogamente al FET tradizionale, viene ancora utilizzato un Gate capace di controllare la strozzatura del canale, ma essendo il canale adesso così piccolo, la velocità di communtazione risulta altissima (si parla di svariati TeraHertz). Inoltre i possibili impieghi dei nanotubi sono moltissimi: come conduttori, come memorie meccaniche, come tubi di calore per raffreddare zone critiche, come base per creare diodi con caratteristiche simili ai laser.

Attualmente è molto difficile creare e soprattutto posizionare un Nanotubo, del resto anche quando Bardeen, Shockley e Brittain nel 1947 inventarono il transistor nessuno si sarebbe immaginato che dopo 40 anni si sarebbero potuti stipare 100 milioni di transistor miniaturizzati nello stesso spazio del primo prototipo di quegli anni.

Per concludere riassumiamo le caratteristiche del Nanotubo:

- Dimensioni: da 0,6 a 1,8 nanometri
- Resistenza alla trazione: 45 miliardi di pascal (le migliori leghe arrivano a 2 Miliardi)
- Capacità di trasporto della corrente: 1 Miliardo di ampere per centimetro quadrato (contro 1 Milione del rame)
- Trasmissione del calore: 6000Watt per metro per kelvin (il diamante trasmette 3320W.m.k)

Per ultime, come di consueto, abbiamo lasciato le considerazioni sul prezzo "stimato" di questa tecnologia. Oggigiorno per avere un grammo di Nanotubi dovrete sborsare circa 1500 dollari...non proprio economici ma considerando che potrebbero rappresentare il futuro dell'elettronica potete dire che sono cari, ma non potete proprio dire che..."non servono a un tubo". ;-)

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