Pubblichiamo questo servizio, apparso sul numero 179 di Athena del Marzo 2002, in cui Michel Wautelet dà alcune risposte sulla natura e funzione delle nano tecnologie, confermando così anche la nota particolare attenzione della Regione Vallone verso l’innovazione tecnologica. Questa attenzione merita di essere più diffusa, al pari dell’importanza delle nanotecnologie, che, come descrive l'articolo,, sono destinate ad uno sviluppo che “trasformerà radicalmente le scienze, la tecnologia, l’economia e la società”(n.d.r.).

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  Una delle tendenze delle nuove tecnologie è la corsa alla miniaturizzazione. L’evoluzione della microelettronica è l’esempio più conosciuto dal pubblico. Essa si sviluppa secondo quella che si è convenuto di chiamare la “legge di Moore”.

Dalla sua scoperta, la legge di Moore non è stata mai smentita. Nello spazio di 30 anni, il numero di transistor integrati su un chip è passato da 2300 sul processore 4004 del 1971, a 42 milioni sul Pentium^® 4Processor del 2000. Questa tendenza dovrebbe, secondo alcuni, proseguire fino al 2010, addirittura, per gli ottimisti, fino al 2015. A quel punto, si dovrebbe arrivare davanti ad un muro, indicato in particolare dalle leggi della fisica.. Che fare allora? Si offrono agli industriali due vie complementari.

La prima consiste nel diversificare le applicazioni. I lavori di ricerca hanno portato in microelettronica alla messa a punto di tecnologie che permettono di fabbricare strutture della dimensione del micron. Perché, pertanto, non utilizzare le apparecchiature e i metodi della microelettronica per altri fini? Tanto più che questa scelta permetterebbe di rendere redditizie attrezzature tecnologiche esistenti, efficienti ma molto costose. E’ questo il campo delle micromacchine o MEMS: ovvero sistemi microelettromeccanici.

La seconda via è lo sviluppo del campo delle nanotecnologie. Si tratterebbe di mettere a punto dei sistemi che funzionerebbero su base di componenti della dimensione di qualche decina di nanometri. Ma si è ancora lontani dalle applicazioni in questo campo anche se importanti iniziative di ricerca vengono intraprese nel settore delle nanotecnologie. Una delle ragioni è che le applicazioni superano di gran lunga il settore dell’elettronica. Si prevede che, negli anni a venire, le nanotecnologie trasformeranno radicalmente le scienze, la tecnologia, l’economia e la società. Gli economisti prevedono che, tra dieci o quindici anni, la cifra annuale di affari, sul piano mondiale, per le nano tecnologie, ammonterà a mille miliardi di dollari. Non sorprende quindi che le nanotecnologie siano considerate come un dominio strategico in USA, Europa e Giappone. La Vallonia non è fuori dal gioco.

Ma non si tratta per caso di un nuovo sogno di tecnocrati in preda a previsioni futuristiche? Quali sono le promesse attese ma anche gli scogli da evitare? Per comprendere meglio le ragioni dell’infatuazione degli scienziati, degli ingegneri e degli industriali per questo nuovo, ma complesso settore d’importanza ritenuta strategica, procediamo con quanto più ordine possibile, ad una serie di domande e risposte.

Che cosa bisogna intendere per nanoscienze e nanotecnologie?
Le nanoscienze e le nanotecnologie si possono definire come le scienze e le tecnologie dei sistemi nanoscopici. Il prefisso “nano” si riferisce al nanometro (nm), ossia il millesimo di micrometro. I sistemi considerati hanno una o più delle loro dimensioni comprese tra uno e qualche centinaio di nanometri. Per un riferimento, occorre ricordare che il raggio tipico degli atomi è dell’ordine del decimo di nanometro (0,1 nm). Quando le particelle hanno dimensioni dell’ordine del nanometro o di più, vengono chiamate nanoparticelle. Le nanoscienze e le nanotecnologie studiano, manipolano e sfruttano le proprietà di sistemi della dimensione dell’ordine di qualche atomo, come le nanoparticelle.

Cosa distingue le nanoscienze dalle altre discipline scientifiche?
 E’ da lungo tempo che gli scienziati studiano delle entità dalla dimensione degli atomi e delle molecole. La fisica atomica e molecolare, la spettroscopia, la chimica, la biochimica, la biologia sono interessate alle proprietà degli atomi e delle molecole. E’ dagli anni 1980 che si possono manipolare isolatamente delle nanoparticelle. A questa scala, non è possibile distinguere le proprietà fisiche e chimiche dei nanosistemi. Le quali dipendono fortemente dal modo in cui vengono sintetizzati, ordinati e utilizzati. Pertanto, fisici, chimici, specialisti dei materiali, ingegneri, persino i biologi, devono lavorare insieme al fine di comprendere le proprietà di questi nanosistemi.

Ricerca Fondamentale

Perché i nanosistemi sono interessanti per la ricerca fondamentale
A prima vista, le nanoscienze e le nanotecnologie non sono che l’estensione naturale e necessaria dei lavori a scala micrometrica (che ha portato ai settori della microelettronica e dell’informatica) verso una scala più bassa, dunque a una miniaturizzazione ancora più spinta. In effetti questo non è così semplice. Per comprenderlo, esaminiamo come le proprietà della materia evolvono allorquando si passi progressivamente dalla nostra scala macroscopica alla scala nanometrica.

Quando le dimensioni caratteristiche degli elementi diminuiscono dal macroscopico al microscopico (qualche micron), alcuni effetti preponderanti alla nostra scala divengono minimi, mentre altri divengono molto rilevanti. Ad esempio, quando gli effetti della gravità terrestre sono rilevanti alla nostra scala, divengono trascurabili a scala di qualche decina di micron. Sono perciò le forze di tensioni superficiali (o interazioni atomiche tra superfici) ad essere di gran lunga le più intense. Ciò significa che i ragionamenti “classici”, basati sull’esperienza del mondo macroscopico, devono essere modificati e che è essenziale comprendere di che si tratta. La nostra intuizione non è più sempre affidabile. Il limite tra gli effetti macroscopici e microscopici non è netto, ma si situa nel campo compreso tra alcune centinaia e qualche micron.

Quando si diminuiscono ancora le dimensioni per raggiungere il campo dei nanometri, appare un’altra frontiera. Mentre al disotto del micron le proprietà macroscopiche della materia restano valide, questo non è più lo stesso nel campo nanometrico. Il numero di atomi in superficie diviene non trascurabile rispetto a quelli in volume. Il comportamento della materia dà luogo a nuove proprietà fisiche, chimiche e persino biologiche.

Quest’approccio, detto top-down (dall’alto in basso), permette anche di concepire come estrapolare i metodi attuali della microelettronica a scale più piccole. L’approccio inverso, detto bottom-up (dal basso in alto), permette di comprendere come andare dalla scala atomica alla scala dei nanosistemi.

Quando la dimensione dei sistemi aumenta a partire dall’atomo, si ottengono all’inizio delle molecole più o meno complesse. In seguito, gli atomi si mettono in un mucchio la cui forma evolve. Spesso è poliedrica. Quando la dimensione aumenta fino a comportare parecchie centinaia di atomi o più, si ottengono delle nanoparticelle. Queste possono crescere fino a raggiungere delle dimensioni dell’ordine del micrometro.

Per comprendere le proprietà di queste particelle, la fisica classica non è sufficiente. Occorre far ricorso alla meccanica quantistica. E’ uno degli aspetti che rende lo studio dei nanosistemi interessante, ma anche sconcertante, in particolare per gl’ingegneri. Anche difficile. In effetti, i chimici teorici sanno da lungo tempo calcolare le proprietà delle molecole. E’ il campo della chimica quantistica. Ma questa richiede dei calcolatori potenti in quanto i calcoli sono lunghi e complessi. E più è grande il numero di atomi, più i calcolatori devono essere potenti. E’ impossibile calcolare le proprietà di nanoparticelle che comportano parecchie centinaia di atomi.

All’altro estremo della scala delle dimensioni, il calcolo delle proprietà dei solidi è semplificato dal fatto che questi ultimi sono cristallini. In altre parole, gli atomi si dispongono in assetto periodico nello spazio. Questa periodicità permette di semplificare i calcoli.

Per quanto riguarda i nanosistemi, ci si accorge che hanno delle proprietà “intermedie” tra quelle degli atomi e delle molecole e quelle dei solidi. Sfortunatamente, le semplificazioni di calcoli di questi due “estremi” non sono più possibili Si tratta dunque di un nuovo campo di ricerche che si apre al mondo scientifico per comprendere il comportamento dei nanosistemi.

Quali sono le proprietà specifiche dei nanosistemi?
La maggior parte delle proprietà specifiche dei nanosistemi risultano da un effetto di dimensione: quando questi raggiungono alcuni nanometri il numero di atomi in superficie è comparabile con quello degli atomi all’interno. Questo numero dipende dalla forma geometrica delle nanoparticelle implicate. Alla superficie, i legami chimici sono diversi da ciò che esiste nel volume. Allora, da una parte la coesione atomica è modificata in rapporto alla massa del materiale; ne risultano in particolare delle proprietà meccaniche (lubrificazione, durata, etc.) e chimiche (reattività chimica, effetto catalitico, etc.) proprie. Dall’altra parte, esistono delle forme geometriche particolari per certi materiali a scala nanometrica.

Esempio: gli atomi di carbonio possono disporsi sotto la forma di un pallone di football o di rugby cavi (i fullereni), ovvero di tubi vuoti (i nanotubi). Questi tubi possono essere riempiti di atomi o di molecole e servire da nanoserbatoi. Si ipotizza di riempirli d’idrogeno per future pile a combustibile. I nanotubi presentano anche delle proprietà meccaniche uniche, che permettono loro di sopportare dei pesi rilevanti. Da qui l’idea di utilizzarli come fili sottili, molto resistenti. ma devono essere risolte questioni fondamentali prima di trarre vantaggio da queste proprietà singolari.

La dimensione è anche un parametro importante per fissare le proprietà elettroniche dei nanosistemi. Quando le nanoparticelle raggiungono le dimensioni di qualche nanometro, si comportano come delle molecole piuttosto che come dei solidi. In quelli che vengono chiamati “ pozzi quantici”, gli elettroni si ripartiscono a livelli energetici discreti, dando luogo a delle applicazioni specifiche in elettronica. Quanto ai nanotubi di carbonio, sembrano possedere delle proprietà metalliche molto promettenti. Ciò dovrebbe qualificarli per i contatti elettrici dei futuri calcolatori molecolari.

Le proprietà ottiche dipendono dalla struttura elettronica. Sono perciò prevedibili elementi ottici specifici, come i nanolaser. E’ tuttavia importante notare che le ricerche su questi temi sono solo agli inizi. Però i lavori preliminari sono incoraggianti e indicano già il percorso di alcune realizzazioni nei campi tecnologici maggiori.

Quali sono i ruoli rispettivi delle scienze fondamentali e delle tecnologie nel settore?

Fra gli storici e i filosofi delle scienze, è abituale separare nei tempi la ricerca fondamentale dalle sue applicazioni. Se quest’attitudine si poteva giustificare qualche decennio fa, lo è sempre meno quando ci si confronti con l’epoca attuale. Sempre di più, la ricerca fondamentale e la ricerca applicata, ovvero lo sviluppo, si scavalcano nel tempo. Nel campo delle nanotecnologie, la separazione temporale tra scienze fondamentali e applicate è molto ridotta. Infatti, la realizzazione di nanosistemi per il loro studio sperimentale fondamentale richiede delle apparecchiature complesse, che sono di competenza della scienza applicata e dell’ingegneria. Deve dunque essere stretta l’interazione tra scienza e tecnologie. Ricerche fondamentali e applicate sono allora sviluppate in parallelo.

Questa interazione deve anche avere luogo tra i protagonisti, e cioè fisici, chimici, biologi, ingegneri e tecnici. Non è che ciascuno debba perdere la sua identità specifica. Un fisico, un chimico, un ingegnere hanno, ciascuno, delle competenze e dei modi di pensare propri. Riunirle in un solo individuo non è realistico. E’ più produttivo indurli a collaborare su temi comuni. E’ una delle ragioni per cui i gruppi che lavorano su questi problemi devono essere pluridisciplinari.

Da quanto precede, risulta che, con le nanoscienze e le nanotecnologie, i criteri abituali di valorizzazione delle ricerche, del finanziamento differenziato tra attività fondamentali e applicate, dovrebbero essere ridiscussi. La separazione tra nanoscienze e nanotecnologie non ha alcun significato pratico. E’ per questo che la maggior parte degli autori utilizzano il termine di “nanotecnologie” come la contrazione di “nanoscienze” e di “nanotecnologie”.

Le Applicazioni

Perché le nanotecnologie sono promettenti?
Da quando sono in grado di spiegare il comportamento della materia a scala dell’atomo e della molecola, gli scienziati ne hanno compreso l’interesse potenziale. Mancavano loro solo le possibilità tecniche. Nel loro immaginario riviene evidentemente in mente qualcuno celebre che ha avuto una visione “profetica” dell’evoluzione della scienza. Il visionario riconosciuto delle nanotecnologie è l’americano Richard Feyman, premio Nobel della fisica nel 1965. Sei anni prima, aveva presentato una conferenza al congresso dell’American Physical Society, intitolata: "There is plenty of room at the bottom" ("C'è molto spazio per le applicazioni pratiche"). Vi esprimeva l’idea che, se si poteva manipolare la materia a scala nanometrica, ne sarebbero derivate numerose applicazioni. Essendo lui stesso un teorico, non sapeva che cosa si sarebbe dovuto fare, ma anticipava una molteplicità di applicazioni possibili.

La conferenza di Feyman si svolse in un’epoca in cui non si disponevano ancora mezzi per produrre gli attuali “chip” in microelettronica. Ma questo non gli aveva impedito di sognare. Così, egli calcolava che, se si potevano manipolare gli atomi, si sarebbe potuto scrivere l’equivalente dell’Enciclopedia Britannica su una punta di uno spillo. La chimica era così un problema di manipolazione di atomi uno per uno, piuttosto che l'effettuazione di reazioni chimiche complesse. Si sarebbero potuti costruire dei fili, degli strumenti a scala microscopica, atomo per atomo. E così di seguito..

All'epoca si trattava di fantascienza. Oggi, l'immaginazione diviene realtà. Con la possibilità di manipolare degli atomi, delle molecole e delle nanoparticelle, è la capacità di manipolare i costituenti di base della materia che diviene realizzabile. Vi è anche la facoltà di controllarli, di modificarli, di farli reagire secondo come noi vogliamo. Vi è ancora la possibilità illimitata di creare senza fine nuove entità microscopiche. Se la manipolazione diretta di nanoparticelle è interessante, nondimeno queste possiedono proprietà diverse da quelle della materia ordinaria. Queste proprietà possono dare anche luogo a numerose applicazioni.

Ma la realizzazione di tecnologie che includano tali nanosistemi si muove in parallelo con la conoscenza delle loro proprietà fondamentali. Il gioco vale la candela, perché questa conoscenza implica anche il controllo dei mattoni fondamentali a partire dai quali tutto è costruito. Questo controllo rischia di cambiare il modo in cui quasi tutto è costruito e reagisce, dai vaccini ai calcolatori, passando dai pneumatici delle nostro auto e dai catalizzatori per eliminare i rifiuti. Le conoscenze esistono. Non resta che trarne profitto.

Come fabbricare dei nanosistemi?
I nanosistemi attualmente studiati e previsti sono numerosi e presentano caratteristiche molto diverse. Si tratta di nanosistemi di qualche diecina di nanometri, non connessi o strutturati, per applicazioni a carattere chimico; di strutture ordinate in maniera periodica, a due o tre dimensioni; di nanoparticelle di alcuni atomi, ordinati in maniera regolare o predeterminata su una superficie. E’ evidente che le tecniche utilizzate sono varie. Ciascuna presenta dei vantaggi e degli inconvenienti, come si può comprendere dall’esame dei tre metodi (fra gli altri) che qui esamineremo.

* Il primo metodo è la fotolitografia, ben nota nell’industria elettronica in cui viene utilizzata per fabbricare i microchip. L’estrapolazione della tecnica sostituendo i laser attuali con fonti di elettroni o di luce ultravioletta o di raggi X potrebbe, in linea di principio, permettere di ottenere dei circuiti elettronici nanometrici. L’inconveniente maggiore è che le modificazioni indispensabili dei procedimenti industriali sono tecnicamente difficili da realizzare e comporterebbero costi elevati. L’impiego di elettroni è lento e richiede apparecchiature costose. Quanto ai raggi X, essi danneggerebbero i nanosistemi e l'apparecchiatura a causa della ionizzazione che provocherebbero.

* Il secondo metodo, detto bottom-up (dal basso all’alto), consiste nel controllare in modo molto preciso le reazioni chimiche di sintesi dei sistemi per assemblare degli atomi e delle molecole a costi bassi e con relativa facilità. Si possono così produrre delle nanoparticelle di dimensione compresa tra qualche nanometro e qualche diecina di nanometri. Tuttavia, dato che non si tratta di procedimenti localizzati, non possono produrre delle sistemazioni bene organizzate nello spazio. Non sono dunque utili per il settore della nanoelettronica. Nondimeno, il loro interesse per altri campi non è trascurabile. Recenti lavori dimostrano che, combinando tali metodi con un’irradiazione laser adeguata, si possono ottenere delle ordinazioni periodiche utilizzabili. Metodi chimici e fisici “classici” permettono anche la sintesi di nanoparticelle ma, in linea generale, la dimensione non è unica.

* Il terzo metodo - incontestabilmente quello che ha dato luogo ai sogni più folli - è l’utilizzazione del microscopio a effetto tunnel (STM) e del microscopio a forza atomica (AFM). Sono numerosi quelli che associano l’invenzione del STM, nel 1982, all’avvio della rivoluzione scientifica delle nanotecnologie. Quest’invenzione valse ai loro creatori, G.K.Binnig e H.Röhrer,di Ibm Zurich, l’assegnazione del premio Nobel della fisica nel 1986.

In un STM, una punta metallica, così fine che la sua estremità si compone solo di uno o qualche atomo, si sposta a una frazione di nanometro dalla superficie di un solido. Grazie ad un effetto quantico - l’effetto tunnel - degli elettroni possono passare dalla punta alla superficie. Spostando la punta sulla superficie in modo controllato, si arriva a determinare la posizione degli atomi alla loro propria scala. La dimensione di un atomo è dell’ordine del decimo di nanometro. Quando si applica una differenza di potenziale elettrico adeguato tra la punta e la superficie, si può distaccare un atomo dalla superficie e farlo aderire sulla punta. Poi, spostando la punta, si arriva a ridepositare l’atomo in altro punto della superficie. Ripetendo l’operazione, si è giunti a scrivere delle parole o dei caratteri a scala atomica. E’ l’inizio di una rivoluzione scientifica che permette di trattare, di manipolare la materia, atomo per atomo. L’immaginazione ha presto consentito di concepire delle potenziali applicazioni in numerosi settori.

Una variante di questo metodo consiste nell’appoggiare la punta su una superficie con una pressione predeterminata. E’ il caso dell’AFM, e cioè dell’utilizzazione dellmicroscopio a forza atomica. Ricoprendo la punta di una nanogoccia con un solvente e spostandola sulla superficie, si è riusciti, con questo metodo, a stendere un monostrato di solvente sulla superficie. La qual cosa consente di depositare degli strati molto sottili che possono servire da contatto, da lubrificanti, etc.

Questi metodi, se permettono di sognare, a livello delle applicazioni, presentano però uno svantaggio: sono lenti, troppo lenti per immaginare una produzione di massa. Attualmente, non sono prevedibili che per la fabbricazione limitata di componenti molto specializzati. Esistono dunque differenti metodi di produzione che conviene sviluppare.

Quali sono i principali settori di applicazione delle nanotecnologie?
Alla luce di quanto detto, è evidente che i settori di applicazione delle nanotecnologie sono numerosi. Le nanotecnologie modificano profondamente il modo in cui i materiali e le apparecchiature saranno prodotti nel futuro. La capacità di sintetizzare mattoni fondamentali (building blocks) con una dimensione e una composizione desiderate, poi di assemblarle in strutture più grandi, con proprietà e funzioni specifiche, rivoluzionerà i materiali e i metodi di fabbricazione. I ricercatori saranno capaci di sviluppare strutture non presenti in natura, al di là di ciò che la chimica ci può offrire.

Fra i vantaggi di questi materiali e apparecchiature rileviamo materiali leggeri, più resistenti, programmabili; la possibile riduzione dei costi di durata (life-cycle costs) grazie al minimo di guasti; apparecchi nuovi basati su nuovi principi e architetture e l’utilizzazione di metodi di fabbricazione a scala molecolare, etc.

Dalla nanoelettronica alla biotecnologia, dallo spazio alla protezione dell’ambiente, passando per la petrolchimica o per materiali dalle proprietà particolari, le possibilità sono enormi. Poiché non è possibile essere esaustivi, ci limitiamo a commentare qualche settore: la nanoelettronica, le biotecnologie, la medicina e lo spazio. Saranno anche trattate questioni che interessano lo sviluppo durevole e il risparmio energetico.

Che cos’è la nanoelettronica ?
Come abbiamo detto precedentemente, la miniaturizzazione della microelettronica arriva davanti ad un muro. Se si desidera che la tendenza alla miniaturizzazione prosegua, occorre passare alla nanoelettronica associata a calcolatori molecolari e quantici. In questa semplice parola tuttavia si nascondono parecchi concetti che hanno in comune solo la parola “nano”.

Da una trentina di anni a questa parte, i chimici e fisici concepiscono, disegnano e creano delle molecole che, singolarmente, adempiono a funzioni di resistenze, diodi, transistori, interruttori. Dall’inizio degli anni ‘70, ricercatori dell’IBM brevettarono la loro scoperta che una sola molecola può funzionare come un elemento di memoria. Qualche anno dopo, ricercatori immaginarono che una molecola potesse comportarsi come un diodo quando è situata tra due elettrodi metallici. Il passaggio dalla teoria alla pratica non fu tuttavia semplice. Ma con l’invenzione dell’STM, nel 1982, i lavori sono si sono accelerati. Prove d’interconnessione su una molecola, la possibilità di manipolare gli atomi, la misurazione della resistenza elettrica di una molecola furono altrettante tappe sperimentali necessarie, realizzate grazie all’STM. Tuttavia, si sono presentate diverse difficoltà che attualmente rendono la realizzazione tecnologica più lontana di quanto si sperasse intorno il 1980.

Parallelamente a quest’approccio, lavori che vertono sulla struttura elettronica dei materiali polimeri hanno mostrato che questi potrebbero servire nei calcolatori quantici. Alcuni hanno anche immaginato dei sistemi completamente diversi, basati sulla manipolazione di frammenti di DNA. Il campo dei calcolatori molecolari e biomolecolari, è dunque attualmente in pieno fermento.

Contemporaneamente, alcuni pensano di utilizzare delle particelle più grosse delle molecole, ma di dimensione nanometrica (dell’ordine di qualche nanometro): i pozzi quantici (quantum dots, in inglese). In quest’ordine di dimensioni, le nanoparticelle hanno delle proprietà elettroniche particolari. Pozzi quantici potrebbero servire da memoria con un solo elettrone. Tuttavia, oltre ai problemi fisico - chimici legati alla sintesi e alla loro sistemazione controllata, restano da risolvere problemi di scienza fondamentali, ad. esempio: sapere se un pozzo quantico è riempito da un elettrone o non richiede di interagire con questo elettrone e, dunque, a condurne altri. La qual cosa ha la conseguenza di svuotare la memoria che, dunque, non è più una memoria.

Un altro problema, comune a tutti i calcolatori basati sulle nanotecnologie, è che si devono avvicinare fra di loro i vari elementi a distanze nanometriche. A questa scala d’interdistanza, un effetto quantico viene a perturbare i processi: l’effetto tunnel di cui si è parlato sopra. Degli elettroni possono passare facilmente da un elemento ad un altro, dando luogo a degli errori rilevanti. Con tali sistemi, occorrerà dunque tenere conto di questi errori negli algoritmi di calcoli. La qual cosa porta a richiedere maggiori sforzi da parte di matematici ed informatici.

Si pongono altri problemi più modesti, legati in particolare al fatto che elementi elettronici disperdono del calore. Più gli elementi sono piccoli e numerosi, più la dispersione di calore diviene rilevante e turba il funzionamento dei calcolatori. Anche se tali calcolatori sembrano ancora lontani, tuttavia il tentativo resta valido. In effetti, la miniaturizzazione è generalmente associata ad una potenza di calcolo rilevante su un volume ridotto. E questo sarebbe necessario se si desidera che la “legge di Moore” si verifichi molto oltre il 2010.

Quali sono le applicazioni delle nanotecnologie nelle biotecnologie?
Le componenti molecolari fondamentali della vita (proteine, acidi nucleici, lipidi e loro simili non biologici) sono dei materiali che possiedono delle proprietà uniche, determinate dalla loro dimensione, dalla loro forma e dalla loro sistemazione a scala nanometrica. La biosintesi e i bioprocedimenti presentano nuovi mezzi di produzione di prodotti chimici e farmaceutici.

L’integrazione di componenti biologici fondamentali nei materiali e apparecchiature sintetiche permetterà la combinazione di funzioni biologiche con altre proprietà di certi materiali, come si fa attualmente con materiali compositi che uniscono proprietà meccaniche, elettriche, etc. L’imitazione dei sistemi biologici è un campo importante di ricerca in diverse discipline. Ad esempio, l’attività nel campo della chimica biomimetica è basata su un tale approccio. Citiamo ancora il deposito selettivo di certe strutture biologiche su substrati predisposti o ancora il trattamento di molecole a scala nanometrica.

Quali sono le applicazioni delle nanotecnologie nel campo biomedico?
I sistemi viventi sono governati dal comportamento delle molecole a scala nanometrica. Lavori recenti nel campo delle nanofabbricazioni indicano che i procedimenti attualmente difficili del sequenziamento del genoma umano e del rilevamento dell’espressione dei geni potrebbero essere grandemente facilitati e accelerati dall’utilizzazione di superfici e di sistemi nanoscopici. Peraltro, oltre a facilitare l’uso ottimale di medicamenti, le nanotecnologie dovrebbero fornire nuovi metodi d’iniezione, che allargano anche i potenziali dei medicamenti terapeutici.

L’accrescimento delle possibilità nanotecnologiche dovrebbe anche influenzare le ricerche fondamentali sulle cellule biologiche e le patologie. Con la messa a punto di tecniche capaci di studiare il mondo a scala nanometrica, diverrà possibile caratterizzare le proprietà fisiche e chimiche delle cellule (compresa la divisione cellulare e la loro locomozione) e di misurare le propeietà individuali di molecole.

La sintesi di materiali biocompatibili, altamente efficienti, dovrebbe anch’essa essere possibile attraverso la capacità di agire a scala delle nanostrutture. Materiali inorganici e organici nanometrici potrebbero ancora essere iniettati in posti precisi perla diagnostica, o come componenti attivi. Per quanto riguarda l’accrescimento delle capacità di calcolo su “nanocalcolatori”, esso dovrebbe permettere migliori simulazioni dei processi viventi nonché lo sviluppo di nuovi impianti biocompatibili e il controllo del rilascio localizzato di medicamenti. Anche se la questione resta attualmente aperta, si spera che sarà positivo l’impatto delle nuove tecniche biomediche sulle cure della salute e sul loro costo per la collettività.

Quali sono le applicazioni delle nanotecnologie nel settore spaziale?
 Il settore spaziale è interessato per parecchi aspetti alle nanotecnologie. Una delle caratteristiche essenziali della tecnologie spaziali è la corsa alla leggerezza. Dato il costo dei la e dei voli spaziali, fare di più con meno è una necessità del settore. I motori spaziali devono anche essere autonomi per lunga durata. Per quanto riguarda le missioni umane nello spazio, esse richiedono dei dispositivi di sicurezza importanti. Non meraviglia quindi che questo settore sia interessato alle nanotecnologie. I principali campi d’interesse sono la nanoelettronica, i sensori, le nanomacchine e i materiali.

Nelle missioni future, i veicoli spaziali saranno autonomi e intelligenti. Saranno dunque necessari dei calcolatori potenti, compatti, poco energivori - in particolare per le missioni verso pianeti lontani - e resistenti alle radiazioni cosmiche. Inoltre, la potenza dei calcolatori a bordo dovrà essere molto rilevante per valutare i dati di volo, cogliere gli aspetti strutturali, comprendere il loro ambiente e reagire in maniera adeguata. I calcolatori molecolari e quantici, facendo ricorso alla nanoelettronica, rispondono potenzialmente a questa condizioni.

Nello spazio sono necessari dei sensori di ogni tipo. Devono essere misurate e analizzate sul posto temperatura, pressione, particelle, chimica, deformazioni, etc. Più la missione è lunga e distante, più i sensori devono essere resistenti al loro ambiente ostile. Per questioni di peso, occorre anche che siano il meno voluminosi possibile. Devono essere sviluppati nanosensori integrati. Un altro elemento a loro favore è il basso consumo di energia. Da qui, il ricorso alle nanotecnologie.

Micromacchine

Potrebbero essere prodotti elementi miniaturizzati, più piccoli delle micromacchine. Si pensa a nanomotori, nanopompe, nanopropulsori copiati sul settore delle micromacchine, spingendo all’estremo le possibilità di miniaturizzazione delle micromacchine. Delle esperienze che mostrano la rotazione dei nanosistemi, sono state condotte ad esempio con successo. Dei materiali che includono le nanoparticelle, come dei compositi o dei materiali multifunzionali, vengono anche studiati per i veicoli spaziali delle prossime generazioni

Quali sono le reazioni tra le nanotecnologie e il settore delle micromacchine?

 Come ricordato nell’introduzione, nella corsa alla “legge di Moore”, si presentano due vie: le micromacchine e le nanotecnologie. Le due non sono tuttavia disgiunte. Infatti, al momento della realizzazione delle micromacchine, si pongono dei problemi relativi alle nanotecnologie. E' così che si è dimostrato che quando si avvicinano due elementi di micromacchine a distanze di alcuni nanometri, la loro interazione è dovuta ad un effetto importante nel settore delle nanotecnologie. All’opposto, le micromacchine dovrebbero permettere di misurare dei parametri interessanti le nanotecnologie.

Allorché si diminuisce la dimensione delle micromacchine si finisce col raggiungere una zona nella quale certi elementi hanno delle dimensioni comparabili a quelle delle nanotecnologie. Esempio: lo spessore di certi elementi mobili o le distanze tra questi possono raggiungere qualche diecina di nanometri. La conoscenza della fisica a queste scale intermedie interessa evidentemente i due settori di ricerca.

Lo sviluppo durevole

Le nanotecnologie sono compatibili con il rispetto dell’ambiente e lo sviluppo durevole?
Una delle caratteristiche e uno dei motori dello sviluppo delle nanotecnologie sono la ricerca di processi industriali e la messa a punto di tecnologie non inquinanti. A livello dei processi industriali, la sintesi di nanosistemi dovrebbe realizzarsi a scala atomica o, almeno, a scala nanometrica. Allora, da una parte, la quantità di materia necessaria alla realizzazione delle varie nanotecnologie sarebbe necessariamente minima. Dovrebbero essere sempre meno utilizzati i solventi organici e altri prodotti chimici pericolosi; tanto più per il fatto che processi che non fanno più ricorso a questi solventi saranno necessariamente messi a punto per determinate applicazioni. Dall'altra parte si spera che l’energia necessaria alla loro realizzazione sia inferiore a quella necessaria attualmente. Infatti essendo, gli elementi più piccoli, sarebbe ridotta anche l’energia per la loro manipolazione.

 Risparmi energetici

Ma è soprattutto a livello delle utilizzazioni che i risparmi energetici dovrebbero essere sensibili. Infatti, per effettuare una funzione data, l’energia richiesta per far funzionare un apparecchio decresce rapidamente con la dimensione. Far girare un disco ad una data velocità angolare richiede centomila volte meno energia quando le sue dimensioni diminuiscono di un fattore dieci. Si ha dunque interesse a miniaturizzare al massimo le tecnologie. Perciò occorrerà ideare delle fonti di energia a questa scala.

Per la sicurezza, polimeri rinforzati da nanoparticelle possono sostituire delle strutture metalliche nelle componenti dell’auto. Da qui una riduzione del peso e un minore consumo di energia. Peraltro, la messa a punto di vari sensori o macchine a scala nanometrica non si può concepire senza progressi nel campo dell’intelligenza delle macchine.

In realtà, non serve granché realizzare dei sensori in miniatura se i sistemi di comando e di trattamento dell’informazione non sono miniaturizzati. Solo allora si potrebbero collocare vari sensori nei posti oggi impensabili, per rilevare deformazioni, vibrazioni, campi elettrici, etc. La conoscenza di tali parametri dovrebbe permettere di reagire più rapidamente, come nel caso della corrosione delle carrozzerie delle vetture.

Nel campo dello sviluppo durevole le nanotecnologie sono nello stesso tempo portatrici di business (utilizzazione delle nanotecnologie) ma anche fonte di risparmi energetici, di minore inquinamento, di maggiore cura della salute, etc.

I programmi di ricerca

Quali sono i principali programmi di ricerca nel mondo nel campo delle nanotecnologie ?
Programmi importanti di ricerca sono condotti negli USA, in Europa e in Giappone. Negli Usa, nel luglio 2000, il presidente Clinton ha fatto della National Nanoytechnology Iniziative (NNI) una delle sue priorità nelle scienze e nelle tecnologici.

Per l’anno fiscale 2001, il bilancio della NNI era di 422 milioni di dollari, ossia 490 milioni di euro. Il 70% del bilancio è attribuito alla ricerca universitaria. Per l’anno 2002, l’amministrazione Bush ha proposto di aumentarlo del 23% mentre il bilancio federale globale in ricerca e sviluppo sarà diminuito. Due anni fa esistevano meno di dieci centri di ricerca in questo campo. oggi sono più di trenta. A ciò bisogna aggiungere i contributi discreti di vari programmi militari, il cui progetto famoso è lo scudo antimissilistico.

In Europa sono state recensite più di duecento reti in nanotecnologie per varie applicazioni. Il prossimo programma-quadro dell’UE riprende le nanotecnologie nei suoi settori prioritari. La Regione vallone ha lanciato un programma di cinque anni, con un bilancio totale di 12 milioni di euro.

Quanto al Giappone, le spese dei poteri pubblici nel campo delle nanotecnologie furono di 300 milioni di dollari, ossia 350 milioni di euro nel 2000. Le iniziative industriali non sono assenti e superano i 100 milioni di dollari. Altre iniziative esistono in Cina, a Taiwan e in Corea.

Volontà industriale

Quali sono le competenze in Vallonia?
Esiste incontestabilmente una volontà della Regione vallone di sviluppare le nanotecnologie. Si tratta di 40 tecnologie chiave per la Vallonia nella prospettiva del 2010. E questo non è molto sorprendente se si conosce che esiste un’attività scientifica rilevante nelle discipline connesse alle nanotecnologie nella Regione vallone.

In un rapporto di prospettiva effettuato per la Direzione generale delle nuove tecnologie, della ricerca e dell’energia (Dgtre), il prof. Jean-Paul Issi enumera le attività in tutte le facoltà in scienze esatte e applicate delle università francofone. Il rapporto non tiene conto delle piccole imprese, che sostengono attività in questo campo. L’autore fa rilevare la mancanza di visibilità delle attività in questo settore verso i decisori e il pubblico. Ugualmente, un grande numero d’imprese valloni sono potenzialmente pronte alle nanotecnologie ma non sono molto sensibilizzate. E’ questa la ragione del recente lancio del programma consacrato alle nanotecnologie della Regione vallone.

Data la dimensione della Regione, è evidente che i partner valloni non sono competenti in tutti i settori potenziali delle nanotecnologie. Sono principalmente i settori dei materiali, dello spazio e delle biotecnologie che dovrebbero essere studiati, senza tuttavia trascurare altri che si riveleranno opportuni in seguito. In realtà, essendo giovane il settore, alcuni temi ricchi di promesse non saranno realizzabili, mentre altri, oggi poco visibili, saranno realizzati.

Le competenze scientifiche esistono, la volontà industriale e politica è presente. I vantaggi potenziali sono rilevanti. In Vallonia ci sono dunque tutti gli ingredienti per sviluppare un settore strategico.

Servizio a cura di Michel Wautelet (traduzione a cura del Centro Studi “L’uomo e l’Ambiente”

(da Athena n.179)