Le Nanotecnologie

Le Nanotecnologie

Cosa sono

Nonostante non esista tutt'ora una definizione assoluta per questo ramo delle scienze applicate con nanotecnologie si intende la capacità di osservare, misurare e manipolare la materia su scala atomica e molecolare, ovvero su dimensioni di 1-100 nanometri.

Il primo, nel 1959, ad ipotizzare una simile tecnologia fu Richard Feynman  (premio nobel per la fisica 1965). Analizzando la scala che rappresenta le dimensioni di vari oggetti possiamo notare che il campo di studio delle nanotecnologie è perfettamente compreso tra i livelli dimensionali utilizzati dalla biologia e appena sopra il campo di studio della chimica.

Piccola cronologia:

1959: there's plenty of room at the bottom

1985: scoperta c60

1986: scanning tunnel microscope(STM)

1991: scritta IBM con atomi di Xe su un chip

1992: self assembled monolayers(SAM)

Sintesi controllata di nano particelle

1993: machine molecolari,tramite SAM

Come ci aiuteranno: migliorando l'efficienza dei processi già utilizzati, diminuendo l'impatto ambientale e il consumo di energia, aggiungendo funzionalità agli oggetti di uso comune già esistenti, migliorando e rinnovando le tecniche di cura già utilizzate.

Come aiutano in medicina: offrendo gli strumenti per studiare i meccanismi delle malattie struttura, dinamica e funzione delle singole molecole ), permettendo di dosare simultaneamente e con grande sensibilità le macromolecole nei tessuti, cellule e fluidi biologici, permettendo di definire i confini tessutali delle malattie e dando la possibilità di creare nuovi farmaci o di reinventare altri già esistenti.

Materiali e approcci

Questa tecnologia opera in campo multidisciplinare in quanto coinvolge indirizzi quali chimica, scienze dei materiali, fisica biologia molecolare,ingegneria meccanica, chimica ed elettronica.

Questa multidisciplinarietà comporta la necessità di avere approcci diversi per i diversi settori.

Vi sono 2 tipi di approcci :

Bottom-up: i materiali e i dispositivi sono realizzati da componenti molecolari di cui si cerca di controllarne e indirizzarne l'assemblaggio per realizzare nano strutture sia di tipo inorganico che di tipo organico/biologico.

Top-down: i dispositivi sono fabbricati partendo da strutture macroscopiche che vengono ridotte tramite metodi fisici a livelli nanometrici.

In questa branca della scienza non sono tanto i materiali a contare ma le loro dimensioni.

Infatti passando da livelli macrometrici a livelli micrometrici le caratteristiche fisiche e chimiche del materiale non cambiano(caratteristiche intensive), ma se invece si scende a livello nano, le cose cambiano, infatti i rapporti tra le forze vengono a modificarsi in quanto diminuisce drasticamente il numero di molecole ed atomi collegati tra loro, dando quindi una diversa risposta in termini chimico fisici.

I primi a scoprire questa proprietà furono i vetrai romani del IV secolo( vedi coppa di Licurgo ), infatti al contrario dei loro colleghi non inserivano sali colorati, che avrebbero tolto trasparenza al vetro, ma bensì della polvere d'oro; recenti test di laboratorio hanno infatti dimostrato che a livello nanometrico l'oro, come tutte le altre sostanze,altera in modo evidente le proprie caratteristiche, cambiando la dimensione delle particelle cambia anche la lunghezza d'onda della radiazione visibile che viene assorbita da esse.

Proprietà utili dei materiali nano tecnologici:

Nano particelle: colore, magnetismo, fluorescenza, solubilità, mobilità nel sistema vascolare

Nano tubi: resistenza meccanica, emissione di luce, conducibilità

Liposomi: biocompatibilità, mobilità nel sistema vascolare, capacità di contenere farmaci od altre sostanze e rilasciale solo dove necessario.

o     I fullereni

Molecole principe di questa tecnologia sono i fullereni, terza forma allotropica del carbonio, scoperti nel 1985.

Per avere un'idea della struttura dei fullereni si può pensare inizialmente ad uno strato di grafite, un piano composto di anelli di carbonio esagonali e piani,quindi ogni atomo, ad eccezione dei pochi situati ai bordi esterni, è legato ad altri tre atomi con legami la cui lunghezza è prossima a quella carbonio-carbonio del benzene.
Tra gli atomi di strati diversi non si formano legami e i vari strati vengono tenuti assieme soltanto da forze deboli.

Cosa succederebbe se un atomo di carbonio venisse espulso da un anello,e se quindi quell'anello diventasse pentagonale ? La struttura da piana diverrebbe curva: possiamo prendere come esempio l'idrocarburo aromatico corannulene, nel quale cinque anelli benzenici contornano un pentagono,questa molecola non è piana, ma presenta bensì una forma a scodella. L'espulsione di ulteriori atomi di carbonio provoca un aumento graduale della curvatura, fino ad arrivare una struttura chiusa simile ad una sfera.

Questa molecola sferica, ha 60 vertici e 32 facce,12 pentagoni ( 12 pentagoni x 5 atomi carbonio=60 carboni ) e 20 esagoni( 20 esagoni x 6 atomi di carbonio=120/2=60 ogni atomo è condiviso da 2 esagoni, quindi si deve dividere per 2 ).
Al C₆₀, a causa della sua forma che ricorda un pallone da calcio, è stato dato il nome di buckminsterfullerene, o più comunemente buckyballs, in onore dell'ingegnere architetto e filosofo Richard Buckminster Fuller, famoso per le sue cupole geodetiche.
I derivati del C₆₀, aggregati carboniosi che delimitano spazi chiusi, vengono chiamati fullereni.
Fullereni di recente scoperta sono i nano tubi(1990).

La ragione della stabilità del C₆₀ va cercata nel fatto che,come il benzene e la grafite, ogni atomo di carbonio essendo legato ad altri 3 atomi è ibridato sp² . Il quarto elettrone risiede in un orbitale p,perpendicolare alle superficie della sfera.
Gli orbitali p si sovrappongono a formare una nuvola π fuori e dentro la sfera, come quella che sta sopra e sotto il piano del benzene.

La reattività specifica del C₆₀ è l'addizione, non essendoci idrogeni da sostituire, che subentra nei legami 6-6 ( condivisi tra 2 esagoni adiacenti) poiché sono più corti di quelli 5-6(condivisi tra un esagono e un pentagono) e quindi più simili ad un doppio legame.

La scoperta dei fullereni e la loro manipolazione ha permesso di aprire migliaia di nuove possibilità in tutti i campi della chimica, dalla farmaceutica all'industriale; si è arrivati alla creazione di nuovi polimeri, materiali capaci di condurre l'elettricità e di immagazzinare energia, strutture che racchiudono atomi di altri materiali o sostanze,che possono essere gas o solidi, scoperta che potrebbe portare allo sviluppo di farmaci personalizzabili e indirizzabili nel zona interessata.

Prodotti e situazione odierna

Sono già molti i prodotti sul mercato che sono stati creati tramite l'utilizzo delle nanotecnologie , e il loro numero è in costante crescita, per parlare in termini numerici si possono già elencare più di 800 prodotti destinati al consumo personale.
Tra essi possiamo citare le nano particelle per cosmetici o per coatings e vernici, tessili tecnici e abbigliamento, articoli sportivi, ma anche nano compositi, hard disks con superfici nano strutturate per registrazione di dati ad alta densità e velocità, chips di memoria con dimensioni inferiori ai 100 nm, dispositivi fotonici,superfici autopulenti, sistemi per diagnostica medica basati sul principio "lab-on-chip" .
Per citare uno dei campi in cui le nanotecnologie sono già utilizzate da qualche anno è la microelettronica dove vengono utilizzate tecnologie planari, processi fotolitografici portati a livello di fascio di elettroni o raggi x tramite la metodica del bottom-up, per creare circuiti integrati per computer ed altri dispositivi elettronici.

Per i prossimi 5 anni, nonostante secondo la regola dei 20 anni dovremo aspettare ancora prima del vero boom nano tecnologico, sono attesi anche sistemi avanzati per la somministrazione mirata di farmaci, protesi mediche più resistenti e con migliorata biocompatibilità, materiali avanzati ed innovativi per la produzione, il trasporto e lo stoccaggio di energia. I principali campi in cui si prevede un forte incremento dell'utilizzo delle nanotecnologie negli anni a venire sono : materiali, elettronica, farmaceutica, processi chimici, aerospazio, cura della salute, utensili, processi sostenibili.

Altrettanto importanti, infatti, sono le ricadute positive delle nanotecnologia sull'ambiente. Il loro utilizzo infatti può essere determinante per lo sviluppo di nuovi processi produttivi,più efficienti e meno inquinanti, con minor consumo di materie prime, per la creazione di energia pulita e rinnovabile e di nuovi sistemi di disinquinamento.

o     Gli OLED

OLED (Organic Light Emitting Diode) è un modo nuovo di generare luce, utilizzando materiali organici invece della complessa struttura cristallina su cui si basano i tradizionali LED (Light Emitting Diode).

La struttura convenzionale di una cella OLED consiste di una pila di strati di materiale organico compresi fra un anodo, trasparente, e un catodo metallico (oppure nella struttura con emissione superiore, da un catodo semitrasparente e un anodo metallico). Gli strati organici sono uno strato per l'iniezione delle lacune, uno strato per il trasporto delle lacune, uno strato emettitore e uno strato di trasporto degli elettroni . Quando è applicata una tensione (alcuni volt) alla cella, le cariche iniettate, positive e negative, si ricombinano e si produce luce (elettroluminescenza). La struttura degli strati organici e di anodo e catodo è progettata al fine di massimizzare il processo di ricombinazione nello strato di emissione e, in definitiva, il flusso luminoso in uscita. Con una opportuna scelta dei materiali costituenti i vari strati, l'intera struttura può avere lo spessore di un decimo di mm.

Possono essere utilizzati come schermi per elaboratori, televisori e quindi riprodurre immagini, ma un altro grande utilizzo è quello diretto all'illuminazione. Una grande caratteristica degli OLED è la loro flessibilità.

Sviluppo responsabile

Si sta assistendo ad una sempre crescente offerta al consumatore di prodotti nano tecnologici non dichiarati e non controllati incorrendo quindi in una dispersione di nano particelle nell'ambiente.

Una condizione essenziale perché le aspettative positive riposte nelle nanotecnologie si realizzino veramente, è che gli eventuali rischi e le implicazioni etico - socio-economiche associate ad esse siano valutati tempestivamente e ridotti al minimo.

Questo richiederebbe la definizione di una nuova terminologia chiara e condivisa, un approccio proattivo alla gestione del rischio, un eventuale revisione delle legislazioni esistenti, la cooperazione e il coordinamento tra i vari organismi pubblici, industria e ricerca a livello nazionale ed internazionale.

Tutto ciò va completato con una informazione ed un dialogo con il pubblico corretti ed affidabili, che rassicurino e prevengano l'insorgere di pregiudizi, quindi cercando di evitare fenomeni di disinformazione dove vengano comunicati solamente gli errori o gli incidenti, anche se si tratta  solo di casi isolati.

o      Nano fa paura?

Si può notare che ogni grande innovazione nel modo di produrre o progettare prodotti o processi ha sempre indotto nell'opinione pubblica timori o entusiasmi eccessivi, a volte giustificati, altre meno.

Nel caso delle nanotecnologie si possono inserire tra i timori infondati tutte le paure connesse all'idea che in un arco di tempo più o meno lungo si arriverà ad avere dei dispositivi che nel linguaggio comune potremmo definire vivi e che si possano auto-riprodurre, che basandosi su una chimica diversa da quella del carbonio potrebbero entrare nella lotta per la sopravvivenza su questo pianeta col rischio di estromettere noi o altre forme di vita da questa condizione per sempre.

Quest'idea fu proposta nel 1986 da Kim Eric Drexler che coniò il termine nanotecnologia utilizzandolo nel suo libro "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" in cui introduce il concetto di auto-replicazione.

Secondo Drexler infatti grazie alle nanotecnologie è possibile arrivare a creare automi che si riproducano con lo stesso sistema utilizzato dalle cellule in natura. Questo per molti è tutt'ora impossibile in quanto, nonostante i progressi nella miniaturizzazione dei circuiti e nella manipolazione dei singoli atomi, la costruzione di nano macchine rimane ad oggi allo stadio embrionale, inoltre sostengono che un processo di autoreplicazione controllata sia impossibile in quanto vi sarebbero dei processi mutageni che comporterebbero degli errori e quindi l'inutilizzazione dell'automa.

Vi sono invece sostenitori della teoria di Drexler che evidenziano il fatto che i batteri,esempi funzionanti di nano macchine, sono progettati per mutare velocemente e che le mutazioni possono essere controllate con tecniche di correzione degli errori già utilizzate nei moderni computer.

Per sedare queste paure basta pensare che esistono due modi radicalmente diversi di progettare l'auto-organizzazione: fisico e biologico.
Il primo è quello che possiamo osservare semplicemente mettendo una pentola d'acqua a bollire sul fuoco: poco prima di bollire delle bollicine d'aria si disporranno spontaneamente sul fondo della pentola formando una sorta di reticolo,ovvero in maniera ordinata. Questo è un fenomeno macroscopico di auto-organizzazione termodinamica: questi processi sono detti dissipativi e in questi fenomeni vi è la tendenza a minimizzare l'energia ma allo stesso tempo di massimizzare il disordine questo, strano a dirsi, crea strutture ordinate.
il secondo modo che prendiamo in considerazione è quello di auto-organizzazione biologica, come esempio possiamo prendere un embrione.

In un embrione non vi è la tendenza a minimizzare l'energia e massimizzare il disordine, altrimenti terminerebbe presto la sua storia, ma bensì la suddivisione e la specializzazione delle cellule secondo un progetto ben definito; quella biologica è quindi un'auto-organizzazione programmata, l'esistenza del codice genetico è la chiave per la riproducibilità biologica.

Inoltre su scala micrometrica e, ancora di più, su quella nanometrica, la tendenza ad incorrere in errore rispetto al sistema macrometrico, è enorme.
In assenza di un meccanismo che guidi e assista l'auto-organizzazione qualsiasi processo di riproduzione risulta a tal punto minato dagli errori da impedire la riproduzione di qualsiasi forma di vita.

I sistemi nano tecnologici costruiti con la metodica del bottom-up non sono guidati da un programma ma solo dalle leggi della termodinamica.

È invece corretto avere dei timori per quanto riguarda le relazioni che questi materiali potrebbero avere con l'ambiente e il nostro organismo; infatti nonostante tutti i vantaggi che queste tecnologie comporterebbero, vi sono da prevedere anche possibili aspetti negativi nel caso di un utilizzo non controllato.

Recenti test hanno dimostrato infatti che le nano particelle hanno molteplici proprietà di rilevanza tossicologica quali: una forte reattività superficiale, la resistenza alla biodegradazione, la tendenza all'aggregazione, le dimensioni che non vengono rilevate dal nostro sistema immunitario.

Per avere un 'idea della facile diffusione delle nano particelle nel nostro organismo basta dare uno sguardo alle dimensioni che possono venire intercettate dalle diverse parti del nostro corpo.

Polmone: 6-20 mm

Globuli rossi: 7 mm

Fegato: 2 mm

Milza: 1 mm

Linfonodi: 50-200 nm

Giunzioni cellule endoteliali (fegato, rene, milza): 6 nm

Barriera emato-encefalica: 2 nm

Come possiamo notare solo le ultime tre si spingono a livelli nanometrici, e tra queste solo le cellule della milza, del fegato,dei reni e la barriera ematoencefalica può bloccare particelle di dimensioni al di sotto dei 10 nm .

Per ora quindi i punti chiave della tossicità delle nano particelle create dall'uomo sono 2: incertezza sull'impatto con la nostra salute e per quanto riguarda i metodi di protezione e prevenzione.

Ci si ricollega quindi alla bioetica dove subentrano i due temi della sacralità della vita e della qualità della vita. La prima considera la vita umana in quanto tale come un bene assoluto,pertanto inviolabile al di sopra della volontà dei soggetti, la seconda invece si basa sulla volontà umana e sulla conformità a criteri qualitativi ( grado di benessere e di autonomia degli individui ). Essendo un campo totalmente nuovo,le nanotecnologie hanno però richiesto la nascita di un nuovo tipo di etica, la nano-etica. Questa materia tratta appunto della pericolosità dei nano materiali, la loro diffusione, l'utilizzo, la ricerca e la sostenibilità. Secondo un recente sondaggio i 2/3 della popolazione americana è risultato contraria alla diffusione delle nanotecnologie, non sulla base della disinformazione, ma bensì secondo criteri etico-religiosi.

Finchè quindi non si assisterà ad un adattamento e miglioramento per quanto riguarda i test utilizzati per calcolare la pericolosità e le normative che ne regolino l'utilizzo tutto ciò che il nano mondo ci offre è un potenziale rischio per la salute nostra e di tutto quello che ci circonda.

There's plenty of room at the bottom

This is the title of a famous lecture  that Richard Feynman gave on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech). In this lecture Feynman proposed a method, called scale down aimed at working directly with the atoms. Feynman's idea consisted of making machine tools scaled 1:10 which in turn could produce other tools scaled 1:100 which could bring to other tools scaled 1:1000, etcetera

Feynman also thinks that it would have been necessary to plan again such tools because at nanonoscopic level relationships between the forces change, in fact the gravity becomes less and less important while on the other hand the surface tension and the Van der Waals forces become determinant.

Nobody had still tried to testify this teory. Feynman ended his conference throwing a challenge, he would have given $ 1,000 to the person who could have made an operating electric and rotating engine. It should have been controlled from the outside and, not counting the lead-in wires, could have been only 1/64 inch cube. Another prize could be given to the person who could have written these information on the page of a book and put it on an area 1/25,000 smaller in linear scale. In such away it could have been read by an electronic microscope. The challenge for such engines was  won almost immediately, while the transcription on a tiny book was completed later.

Bibliografia

o      Cosa sono le nanotecnologie,istruzioni per l'uso della prossima rivoluzione tecnologica - Dario Narducci

o      La nanotecnologia,innovazione per il mondo del domani - Commissione europea,ricerca comunitaria

Sitografia

o      Centro italiano nanotecnologie    www.nanotec.it

o      Appunti lezioni prof. Gianfranco Ciani www.chimdocet.it

o      The project on emerging nanotechnologies  www.nanotechproject.org

o      Cambrige nanoscience Centre      www.nanoscience.cam.ac.uk

o      Convegno internazionale sulle nanotecnologie      www.nanotec2009.it

o      Csi tecnology     www.csinanotechnology.com

o      Nanobliss    www.nanobliss.com

o      Corriere della sera    www.corriere.it

o      Wikipedia it.wikipedia.org

o      Richard P.Feynman hot links www.geocities.com/CapeCanaveral/Launchpad/7045/richardhlglobale.html

o      Le scienze https://lescienze.espresso.repubblica.it/

Conferenze

o      Incontro Pubblico "Nanotecnologie per una vita migliore" Vigevano,18/04/09