Madre natura ha a disposizione circa 100 tipi di atomi per costruire tutto quello che conosciamo. Del centinaio di atomi esistenti, ce ne sono alcuni di gran lunga più utilizzati: idrogeno ed elio nell’universo, ossigeno, silicio, alluminio e ferro sulla crosta terrestre e carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, calcio e fosforo nei sistemi biologici. Con questi ultimi sei elementi l’evoluzione è riuscita a differenziare tutti gli organismi viventi e tutti i materiali organici. La spiegazione delle infinite diversità e varietà che madre natura ci propone sta quindi nell’architettura e non negli elementi stessi.
La comprensione di ciò è oggi alla base di una rivoluzione culturale che sta pervadendo ogni aspetto della nostra vita e definendo il futuro della nostra civiltà: la rivoluzione nanotecnologica.
Per capire di cosa si tratta, partiamo da alcune considerazioni. Madre natura ha scelto ossigeno, carbonio e altri elementi semplici per costruire il più potente computer parallelo del pianeta (il nostro cervello) e non il silicio su cui si fonda l’elettronica dei moderni computer artificiali. O ancora un osso si plasma divenendo lungo come il femore, piatto come un dente o flessibile come un capello pur avendo la stessa composizione. Questi processi sono l’effetto della capacità di madre natura di organizzare atomi e molecole sulla scala del miliardesimo di metro in modo funzionale, ordinato e controllato. Le scienze cosiddette esatte, conoscono da tempo questi meccanismi, ma nel passato hanno mantenuto delle barriere fra le varie discipline quali fisica, biologia e chimica.
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La forza trainante della rivoluzione nanotecnologica deriva dal fatto che gli scienziati hanno iniziato ad uniformare i propri orizzonti e hanno unito i propri sforzi verso ricerche di tipo fortemente interdisciplinari. Il valore finale di questo approccio è immenso. Ha posto infatti le basi di un nuovo sapere tecnologico che oggi sta pervadendo moltissimi campi di applicazione proprio grazie all’imitazione di quella capacità della natura di trasformare elementi semplici, economici e abbondanti in strutture complesse auto-generanti, auto-riproducenti e auto-riparanti. Dal punto di vista tecnico la chiave di volta è stato il controllo dei metodi di sintesi, assemblaggio e misura di atomi e molecole su scala atomica.
La nanotecnologia, è infatti un insieme di metodologie mirate al controllo della materia sulla scala del nanometro (miliardesimo di metro).
Ma vediamo alcuni esempi rappresentativi di nanotecnologie. Uno dei settori maggiormente impattati dalle nanotecnologie è l’elettronica. Grazie al miglioramento delle tecnologie litografiche (litografia elettronica, a raggi X, near field ottica..) l’industria elettronica raddoppia il numero di elementi circuitali contenuti in un circuito integrato ogni due anni, consentendo così il continuo aumento di prestazione dei sistemi elettronici a parità di costo e consumo. Le principali multinazionali dell’elettronica hanno raggiunto standard di produzione di massa con risoluzioni dell’ordine di 0.25-0.18 micrometri (milionesimi di metro), e si prevede a breve di aumentare ulteriormente la risoluzione a 0.15-0.13 micron. Questo significa che un chip di 1 centimetro quadrato può virtualmente contenere circa un miliardo di elementi.
Nelle telecomunicazioni si stanno sviluppando dispositivi che permetteranno di avere frequenze di trasferimento dei dati dell’ordine dei 5 Terabit/secondo (milione di miliardi al secondo), con le quali sarà possibile avere Internet ad altissima velocità e dispositivi elettronici e fotonici di dimensione nanometrica, che consentono di processare segnali a 1 elettrone o fotone riducendo drasticamente le potenze elettriche di alimentazione e di funzionamento. Si stanno inoltre affermando nuove tecniche di fabbricazione e assemblaggio di nuovi materiali sia di tipo organico che inorganico, con controllo delle loro proprietà su scala atomica e molecolare.
Ad esempio dagli scarti dei vegetali – ricchi di cellulosa – oggi potremmo già realizzare tutti i prodotti plastici che si realizzano con la lavorazione del petrolio, ma con funzionalità molto più ampie.
Nell’ambito dell’industria meccanica le applicazioni spaziano in ogni settore grazie alla possibilità di assemblaggio di queste tecnologie dall’elettronica ai nuovi materiali. Fra questi quelli (fibre di carbonio o grafene) ad altissima durezza e bassissimo peso specifico mediante inclusione di nanoparticelle in sistemi a fibre per ottenere mezzi a basso consumo e ad alta resistenza meccanica.
Un altro ambito dalle enormi potenzialità è quello delle applicazioni medico-sanitarie, con la possibilità di interventi a livello di singolo evento biologico. Si tratta di una sfida di portata unica, che in futuro rappresenterà la vera forza trainante per lo sviluppo delle nanotecnologie e che consentirà un miglioramento considerevole delle capacità diagnostiche e terapeutiche, con la possibilità di diagnosi e cura in vivo direttamente all’interno del corpo umano con metodi non invasivi e con effetti collaterali estremamente limitati se non assenti. Le prospettive che aprono queste tecnologie sono quelle di uno sviluppo di qualità e realmente sostenibile.
ROBERTO CINGOLANI
