Che cos’è la nanotecnologia?
Se ponessimo la domanda a fisici, biologi, chimici, ingegneri, riceveremmo un ampio raggio di risposte, della stessa ampiezza della nanotecnologia stessa. Se la rivolgessimo al grosso pubblico, il 90%, con tutta probabilità, l’assocerebbe alla fantascienza.
Per il fisico americano Zhong L. Wang, direttore del Center for Nanostructure Characterization (CNC), del Georgia Institute of Technology School of Materials Science and Engineering di Atlanta, “la nanotecnologia è la costruzione e l’uso di strutture funzionali progettate alla scala atomica o molecolare con almeno una dimensione caratteristica misurata in nanometri. La dimensione consente loro di esibire proprietà fisiche, chimiche e biologiche originali e significativamente migliori, fenomeni e processi dovuti alla loro dimensione”.
Nel sistema delle unità di misura, il prefisso nano- indica un miliardesimo dell’unità. Per avere un’idea dell’ordine di grandezza di cui stiamo parlando, basti pensare che una pulce ha la dimensione di circa 1 milione di nanometri.
La nanotecnologia non è, secondo il Rapporto 2006 del Surinder Mann Institute of Nanotechnology, una nuova scienza e nemmeno una nuova tecnologia ma il “…prolungamento di scienze e tecnologie che sono in via di sviluppo da molti anni ed è il logico progresso del lavoro fatto per esaminare la natura del nostro mondo ad una scala sempre più piccola”.
Anche per gli studiosi del National Laboratory Technical University of Denmark “la nanoscienza non è nuova; gli scienziati hanno avuto da molto tempo un interesse per la nanoscala. Quello che ha spinto al recente decollo della nanotecnologia è lo sviluppo, sin dagli anni ’80, di nuovi e più avanzati strumenti di analisi e manipolazione alla nanoscala”.
Ricordiamo che nel 1920 furono prodotte le prime gomme per auto che contenevano piccolissime particelle di carbonio per ridurre il consumo e l’abrasione, senza che nessuno si rendesse perfettamente conto del meccanismo che governava l’innovazione.
Per Peter Yeadon, architetto canadese, non siamo di fronte ad una specifica tecnologia, ma a più tecnologie che coinvolgono diversi settori scientifici, dalla fisica, alla chimica, alla biologia. Infatti, il fisico Horst Störmer sostiene che è difficile comprendere il mondo della nanotecnologia senza un background scientifico multidisciplinare.
Ci sono altri, come la rivista Big Picture, che ritengono che le “nanotecnologie non abbiano ancora prodotto nessun nuovo materiale, ma semplicemente migliorato i prodotti esistenti come una racchetta da tennis o i pantaloni… In questo senso, la nanotecnologia è un ‘cambio di denominazione’ di una scienza più vecchia e la sua influenza è ‘evoluzionaria’ invece che rivoluzionaria”.
Subito dopo, però, la stessa rivista chiarisce che “a lungo termine, tuttavia, le nanotecnologie hanno il potenziale di incidere sul processo produttivo di una vasta gamma di industrie. Questo guiderà non solo a ‘lo stesso, ma migliore’, ma a prodotti genuinamente nuovi”.
Concisa, sin troppo, la definizione del Center for Responsible Nanotechnology (CRN), che definisce la nanotecnologia “la costruzione di sistemi funzionali alla scala molecolare”.
Come si vede le risposte sono alquanto variegate e, per evitare interminabili disquisizioni, diamo per scontata la semplificazione di Kevin Bonsor & Jonathan Strickland: “in generale, possiamo pensare che la nanotecnologia abbia a che fare con qualsiasi cosa misurabile tra 1 e 100 nm. Alla scala più grande c’è la microscala e a quella più piccola la scala atomica”.
Ma, al di là di queste schermaglie che posso sembrare accademiche, sta la certezza che una rivoluzione globale e radicale senza precedenti sia ormai in atto.
Scienza, nanoscienza e fantascienza
Uno dei primi a predire, alla fine degli anni '50, la nanotecnologia fu il fisico Richard P. Feynman nell’ormai celebre intervento all’American Physical Society titolato There's Plenty of Room at the Bottom; ma è stato un'altro fisico, K. Eric Drexler, a coniare il termine, negli anni '80, nel suo libro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, per descrive la progettazione e la costruzione di sistemi molecolari alla scala del nanometro. "Il libro di Drexler – scrive Peter Yeadon - sottolinea un futuro nel quale saremo capaci di progettare e costruire macchine atomicamente precise, minuscoli sistemi robotizzati che sosterranno il corpo umano e aiuteranno anche nella creazione di nuove città. Le sue implicazioni saranno enormi coinvolgendo scienze materiali, medicina, ingegneria, economia, computer, viaggi e nuove opportunità per i progettisti".
I costanti progressi dei microscopi - oggi siamo agli AFM (Atomic Force Microscope) e agli STM (Scanning Tunnel Microscope) - hanno reso possibile la manipolazione, a costi relativamente bassi, della materia a livello molecolare. Lance Hosey – architetto e professore part-time alla University of Virginia - scrive che all'IBM hanno fabbricato, di recente, il circuito di un computer da una singola molecola di carbonio e che gli scienziati della Cornell University hanno costruito la prima macchina in nanoscala, un motore delle dimensioni di un microbo.
Per avere un completo controllo della materia bisogna essere ben sicuri di cosa è la materia; ma, dopo Einstein, è sempre più difficile trovare una definizione soddisfacente dell'odierno concetto di materia. I cercatori, dice sempre Yeadon, sanno benissimo che “se possiamo controllare l’energia, possiamo manipolare la materia, visto che la materia è una manifestazione di energia, non diversamente dalla luce e dalla radiazione termica”.
I materiali, manipolati a livello molecolare, rispondono non alle leggi della meccanica classica ma a quelle della meccanica quantistica. Proprietà fondamentali quali resistenza, elasticità, conduttività, forma, colore, rapporto massa-superficie possono cambiare più facilmente che alla macroscala e condurre a materiali completamente differenti. Un materiale isolante alla macroscala, per esempio, può diventare un semiconduttore alla nanoscala, un altro insolubile può diventare solubile. Un’altra caratteristica è che con il diminuire della dimensione il rapporto massa superficie cambia in favore della superficie e questo influenza il comportamento delle particelle verso l’ambiente circostante e la reazione verso altre particelle. Quindi bisogna studiare daccapo non solo il comportamento dei materiali ma anche il loro impatto sulla psiche individuale e collettiva.
Per capire il ruolo della nanotecnolgia basti pensare all’esempio fatto da Philippe Mercure a proposito della differenza tra grafite e diamante. Benché tutti e due i materiali siano compositi di carbonio puro, si presentano in modo completamente differente: la grafite è facilmente friabile, il diamante è uno dei materiali più duri che conosciamo; la grafite è nera e opaca, il diamante è translucente; la grafite è un conduttore di elettricità, il diamante un isolante. Il motivo di tale bizzarria sta nella disposizione degli atomi di carbonio alla nanoscala.
“La nanotecnologia – scrivono Jim Gimzewski e Victoria Vesna - funziona ad una scala dove biotech, chimica, fisica ed ingegneria elettrotecnica e meccanica convergono avendo così il potenziale di influire su ogni aspetto delle nostre vite. Vedremo l’impatto in tutto: dal nostro sistema sociale agli edifici, all’arredamento, all’abbigliamento, alla medicina, ai corpi e alle menti. Ma soprattutto, crediamo che opererà un fondamentale cambiamento nella nostra mente, conscia e inconscia. Non appena la percezione della realtà si sposterà al livello collettivo, ci troveremo in un mondo interamente nuovo, con differenti valori e motivazioni”.
Non quindi una rivoluzione semplicemente scientifica o tecnologica, ma filosofica e sociale. Insomma una nuova visione del mondo, formato XXI secolo. Rivoluzione che solleva ovviamente interrogativi di ordine etico su cui si stanno già scatenando lotte ideologiche che faranno apparire antiquata quella che ha segnato il XX secolo tra capitalismo e marxismo. Il brevetto di geni e la clonazione di esseri umani sono solo la punta di un icerberg. Scenari più preoccupanti sono lì a dimostrare quanto i dubbi di natura etica non siamo poi così tanto ingiustificati.
“I più grossi interrogativi sulla nanotecnologia, che stiamo solo cominciando a comprendere – si chiede Thomas P. Keenan - saranno: Perché? Perché no? E: per chi?”
Bill Joy - fondatore di Sun Microsystems - in un articolo pubblicato sulla rivista Wired intitolato Perché il futuro non avrà bisogno di noi, paventa addirittura l'ipotesi che la nanotecnologia possa sfuggire di mano e mettere in pericolo la stessa umanità.
Ciò che deve preoccupare per il futuro, secondo il Center for Responsible Nanotechnology, non è tutto ciò che è sufficientemente piccolo, per la maggior parte inoffensivo, ma la produzione molecolare che “porterà rischi non familiari e nuove categorie di problemi... Quando la produzione molecolare resa possibile dalla nanotecnologia apparirà, pochi osservatori dubitano del fatto che ridefinirà fondamentalmente tutto, dai trasporti all’energia, ai networks informativi, a come condurre gli affari e come fare la guerra”.
Ray Kurzweil - inventore che si occupa di intelligenza artificiale – paventa scenari ancora piì inquietanti. In The Age of Spiritual Machines (1999) prefigura la possibilità che le macchine, entro la fine del secolo, comincino a mostrare segni di qualcosa di simile alla consapevolezza e ai sentimenti umani.
Benché questi scenari di macchine consapevoli e di pulsioni autodistruttive siano ancora nel mondo della science-fiction, non sarebbe comunque male cominciare ad interrogarsi sui rischi e sui benefici del progresso scientifico e tecnologico per evitare quegli “appisola menti” intellettuali denunciati dall’architetto George Elvin: "il vero pericolo è che, come molti di noi hanno sperimentato con la clonazione, ci svegliamo un giorno e scopriamo che la rivoluzione tecnologica è già avvenuta, senza saperlo, senza il nostro consenso e senza avere avuto il tempo di stabilire cosa ne pensiamo, cosa sentiamo… La nanotecnologia trasformerà il nostro ambiente costruito, è essenziale che la usiamo per formarne uno più salutare, più confortevole, più umano. Senza riflessione, dialogo, e dibattito potremmo svegliarci un giorno e scoprire che siamo già stati plasmati da essa".
Rischi e benefici della nanotecnologia
Purtroppo certa fantascienza, certo attivismo anti-tecnologia, certo giornalismo e certa scienza alimentano falsi miti e catastrofici scenari su situazioni che nel futuro potremmo fronteggiare, creando con ciò ingiustificate e irrazionali paure.
“Certa gente – scrive Philippe Mercure - già immagina armate di robot in miniatura che pattugliano il corpo umano per riparare tessuti, eliminare tumori e somministrare farmaci. Se tutto questo appare abbastanza lontano, è però vero che alcuni avanzamenti hanno l’aria di fantascienza. L’azienda Israeliana Given Imaging, per esempio, ha inventato una mini-camera che può essere installata dentro una pastiglia ed ingoiata per filmare il sistema digestivo”.
Dice John Ryan, direttore del Bionanotechnology Centre dell’Università di Oxford: “Questi scenari della fantascienza stanno non solo distogliendo l’attenzione dai reali vantaggi della nanotecnologia, ma anche dai punti che sollevano preoccupazione”.
Secondo il Risø - National Laboratory Technical University of Denmark -, “la pubblicità martellante (e le associate speculazioni da fantascienza) a proposito della nanotecnologia è una delle principali caratteristiche del suo sviluppo. Da un lato, questo significa che ci sono altissime aspettative che la nanotecnologia possa contribuire alla crescita economica e alla soluzione dei maggiori problemi (es. salute, ambiente, energia). Dall’altro, ci sono preoccupazioni su rischi e problemi etici. C’è anche un aumento delle preoccupazioni, tra legislatori e nano-protagonisti, sul fatto che la nanotecnologia debba fronteggiare lo stesso tipo di riluttanza del mercato ad accettarla come nel caso degli OGM. (…) Ma potrebbe essere un vantaggio per la nanotecnolgia che il dibattito sui rischi e sugli impatti sulla società inizi prima e ben più seriamente che nel caso delle biotecnologie”.
La nanotecnologia significa un uso più efficiente di materiali e tecniche, con conseguenti risparmi energetici, di cui possono usufruire indistintamente sia i paesi ricchi sia quelli poveri. Tutto ciò, accompagnato dalla riduzione dei costi, potrà consentire anche ai paesi in via di sviluppo di accedere alla più avanzata tecnologia, saltando a piè pari le vecchie tecnologie che non sono mai riusciti ad acquisire, come per esempio hanno fatto per i cavi e le fibre ottiche per la telefonia, sostituiti dai telefoni cellulari.
Non a caso, tra i paesi che stanno investendo massicciamente in questo settore, ci sono India, Cina, Brasile, Messico, Sudafrica, Thailandia, Filippine, Cile, Argentina.
Riporta il Science Daily: “Secondo un recente studio del Canadian Program on Genomics and Global Health (CPGGH) della University of Toronto Joint Centre for Bioethics (JCB) – un preminente gruppo internazionale di esperti in deontologia medica -, molte applicazioni nanotecnologiche saranno di aiuto alla gente dei paesi in via di sviluppo per affrontare i loro problemi più urgenti: estrema povertà e fame, mortalità infantile, degradazione ambientale e malattie quali malaria e HIV/AIDS”.
Secondo Peter Singer, co-direttore del CPGGH e direttore del JCB, “la maggior parte delle ondate tecnologiche possono incrementare il divario tra ricco e povero, ma l’utilizzazione della nanotecnologia rappresenta una possibilità per colmare questi divari. L’applicazione mirata della nanotecnologia ha enormi potenziali per apportare grandi miglioramenti nello standard di vita della gente del mondo in via di sviluppo”.
Il CPGGH, prima di stendere il proprio rapporto, ha chiesto a un gruppo internazionale di 63 esperti le principali applicazioni nanotecnologiche di cui potrebbero usufruire i paesi in via di sviluppo.
Al primo posto è risultata la produzione, conversione e stoccaggio di energia. E la cosa sembra abbastanza ovvia: l’indipendenza energetica è assolutamente indispensabile allo sviluppo economico.
La nanotecnologia può essere utile nella costruzione di una nuova generazione di cellule solari, cellule all’idrogeno e nuovi sistemi di immagazzinamento dell’idrogeno per un’energia pulita e rinnovabile che consenta a questi paesi di liberarsi dei sistemi tradizionali a petrolio e carbone.
Molto promettenti sembrano anche nano-membrane con proteine incorporate, capaci di trasformare la luce in energia chimica.
In agricoltura il problema principale sono i raccolti e la fertilità del suolo. La nanotecnologia può aiutare nel rendere mirati e dosati al punto giusto i fertilizzanti. Nano-particelle magnetiche potrebbero rimuovere gli inquinanti e nano-sensori potrebbero monitorare lo stato di salute dei raccolti e degli allevamenti di animali.
Importantissimo il settore acque. Con un sesto della popolazione mondiale non in grado di accedere ad acqua sicura e pulita, esplosioni epidemiche e morti sono all’ordine del giorno. Nano-membrane e nano-argille, poco costose e facilmente trasportabili, possono purificare, detossificare e desalinizzare l’acqua in modo ben più efficiente degli attuali filtri batterici e virali. Anche filtri di nano-tubi sono allo studio. Altri sistemi basati sull’anidride titanica e su nano-particelle magnetiche sono in grado di rimuovere inquinanti, sali e metalli pesanti dall’acqua.
In campo medico le possibilità sono ancora più ampie. Kit diagnostici delle dimensioni di un chip e biosensori fatti di nano-tubi, di nano-particelle magnetiche, nano-strumenti renderebbero possibile analisi di laboratorio e diagnosi senza ricorso agli ospedali.
Per continuare con i film plastici per la protezione e il trasporto dei cibi, le emulsioni antimicrobi fatte di nano-materiali per la decontaminazione degli attrezzi per il cibo.
Grandi aspettative suscitano i prodotti per combattere l’inquinamento e il miglioramento di pesticidi e insetticidi.
A fronte di tutto ciò ci sono anche potenziali rischi.
Ben poco si sa sul comportamento ambientale delle nano-particelle, per esempio, e tanto meno sui pericoli di una loro infiltrazione nel cervello, anche se gran parte di ciò che respiriamo attualmente in una grossa città è pulviscolo atmosferico e polveri alla nano-scala di derivazione varia.
I potenziali rischi sono anche di natura sociale e riguardano, per esempio, la privacy, visto che nanosensori potrebbero essere inseriti dappertutto: dagli abiti, agli oggetti d’uso comune, allo stesso corpo umano. Queste preoccupazioni non sono nuove, visto che già le carte magnetiche, i documenti d’identità, i codici a barre e database dei computer le avevano sollevate. È evidente che se dovesse aprirsi un varco in questi dati sensibili le conseguenze sarebbero pericolose.
“Ci pare – sostengono Jim Gimzewski e Victoria Vesna - che la resistenza a una tecnologia che cambierà radicalmente il modo in cui gli esseri umani pensano potrà essere molto maggiore, dando per scontato che ci vuole usualmente un periodo di 20-50 anni affinché la tecnologia possa penetrare nella società in generale. Stiamo per assistere a grandi lotte ideologiche, molto più grandi di quelle che abbiamo visto nei secoli scorsi. Infatti, tutto è già pronto per questa nuova era di dibattiti sul diritto - esemplificato dal brevetto di geni e dalla clonazione di esseri umani - di possedere il proprio codice genetico”.
Andrew D. Maynard, consulente scientifico per la nanotecnologia del Woodrow Wilson International Center for Scholars, mette in evidenza l’incredibile divario che esiste negli Stati Uniti tra l’investimento nelle nuove tecnologie e la percentuale di questi destinati alla ricerca, appena l’1%.
Con l’introduzione a ritmi esponenziali di nuovi nanomateriali, appare sempre più necessario non solo mettere a disposizione degli utenti tutte le informazioni scientifiche disponibili sui rischi del loro utilizzo, ma istituire una cornice legislativa che non lasci adito ad inutili allarmismi o, peggio, a speculazioni ideologiche.
I preoccupanti scenari di cui sopra non tengono fondamentalmente conto del fatto che, come scrivono sempre Jim Gimzewski e Victoria Vesna,“ogni radicale proposta, con implicazioni così enormi e globali, incontrerà indubbiamente una tenace opposizione da chi ha investito molto nella vecchia, meccanicistica, visione del mondo. Come abbiamo visto nel XX secolo, molte grandi innovazioni sono state schiacciate da interessi nazionali, industriali, aziendali; gli esempi nel campo dei trasporti e dell’energia sono in testa alla lista.”
C’è da aggiungere, per completezza, che tra le forze che hanno schiacciato grandi innovazioni va aggiunto l’estremismo ambientalista, con il suo carico di fanatismo anti-umanista e anti-civilizzazione. Una furia distruttrice che ha ben pochi confronti storici: anti-scienza, anti-tecnologia, anti-mercato, anti-business. Invocano la scienza per giustificare cose che con la scienza hanno ben poco a che fare e vedono la tecnologia solo come fattore inquinante e negativo. Per non parlare della demonizzazione del libero mercato e del profitto.
Un problema fondamentale è l’informazione. Secondo un’indagine del Woodrow Wilson International Center for Scholars del settembre 2007, solo il 6% degli americani ha sentito parlare molto della nanotecnologia, mentre il 70% non ne ha sentito parlare o ne ha appena sentito parlare.
Il grosso pubblico deve essere informato correttamente sui rischi e sui benefici della nanotecnologia, perché fino a quando la controparte degli scienziati, dei ricercatori e dei legislatori saranno frange estremiste come Greenpeace e altre associazioni ambientaliste il pericolo di distorsioni scientifiche a puro uso propagandistico, come nel caso degli OGM, è altissimo. Quando si è presentata la possibilità di modificare geneticamente prodotti che sarebbero in grado di alleviare la sofferenza di intere popolazioni una violenta campagna propagandistica di criminalizzazione l’ha praticamente stroncata sul nascere. Un prodotto geneticamente modificato come il Golden Rice, che sarebbe in grado di salvare 500 mila bambini indiani e africani dalla cecità grazie all’aggiunta di Pro-Vitamina A, è stato bloccato da posizioni aberranti di sette millenariste che vorrebbero negare alle popolazioni dei paesi in via di sviluppo l’elettricità, la tecnologia occidentale e tutti quei conforti di cui loro stessi godono nel ricco mondo occidentale e di cui mai e poi mai si priverebbero.
Nascosti dietro la foglia di fico del “principio precauzionale”, invocano norme draconiane e nuove leggi planetarie per mettere l’umanità alla sbarra. Tra i maggiori sostenitori del “principio precauzionale” e che spingono per regolamentazioni rigide e severe ci sono, e non potrebbe essere altrimenti, le compagnie assicuratrici, che non vogliono rischiare un bel nulla. C’è bisogno di ricordare che se si fosse applicato il “principio precauzionale” non avremmo mai avuto i vaccini, gli antibiotici, il computer, il telefono cellulare?
A nulla valgono gli appelli alla ragione, al buon senso, al rispetto degli standards scientifici, provenienti da organismi non-profit come il Foresight Institute, il Center for Responsible Nanotechnoly, Nanotechnology Now, quando anche organismi che dovrebbero dimostrare responsabilità, moderazione e lungimiranza fanno da cassa di risonanza dell’estremismo ambientalista: “Non è la sola speranza per il pianeta che le civiltà industrializzate collassino? Non è nostra responsabilità provocare ciò?” Non sono le parole di un ambientalista bilioso ma di un sottosegretario dell’ONU, Maurice Strong.
L’ONU, organismo nato con nobili intenzioni e degradato a corrotto e squalificato club lobbistico-terzomondista che si fa portavoce di gruppi di interesse spacciando come “inconfutabili” prove scientifiche documenti redatti da organismi politici.
Eclatante l’esempio sul riscaldamento globale dove il rapporto destinato alla stampa, e quindi al grosso pubblico, è preconfezionato dal braccio politico dell’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), non dagli scienziati. Alcuni dei quali hanno denunciato la strumentalizzazione e visti inutili i tentativi di ristabilire un minimo degli standards scientifici se ne sono andati sbattendo la porta.
Ora potrebbe toccare alla nanotecnologia, e infatti i moderni luddisti sono già alla carica paventando immani catastrofi come, ad esempio, l’ampliamento del divario tra paesi ricchi e paesi poveri. Essi traggono questa conclusione dal fatto che i nanoprodotti già in circolazione fanno parte dei rituali del mondo industrializzato: racchette da tennis, creme abbronzanti, abiti idrorepellenti e via dicendo. In realtà, proprio la nanotecnologia sembra dare una risposta alle loro “preoccupazioni”, ma ciechi e sordi alle istanze della ragione preferiscono istigare paure e comportamenti irrazionali per coltivare il loro orticello ideologico.
La ricerca sui materiali
Dopo aver effettuato una panoramica su che cos’è la nanotecnologia e sulle sue prospettive, è opportuno approfondire alcuni tra i fronti di ricerca più stimolanti.
Abbiamo già visto come le applicazioni alla nanoscala non siano poi una così grande novità. Basti pensare all’uso di nanoparticelle di ossido, d’oro e d’argento per la creazione di paste e vetri colorati. I polimeri sono un altro esempio di uso ormai ultradecennale di nanomolecole.
Ciò che oggi fa la differenza è la gran quantità di materiali in commercio che già beneficiano della nanotecnologia. Creme solari protettive e tessuti che contengono nanoparticelle di ossido di zinco o di titanio, che proteggono meglio dalle radiazione dei raggi ultravioletti. Paraurti d’auto 50-60% più leggeri e resistenti il doppio alle graffiature grazie ad un rivestimento di nanoparticelle di silicato di alluminio. Bende antibatteriche che usano nanoparticelle d’argento. Combustibili che bruciano con efficienza doppia. Questi alcuni esempi delle innovazioni che la nanotecnologia ci ha già portato e ogni giorno nuovi materiali e nuovi prodotti si affacciano sul mercato.
Che lo sviluppo massiccio della nanotecnologia non sia una pura proiezione futura lo dimostrano due cifre relative al 2006: 50 miliardi di dollari di prodotti venduti e 12 miliardi in finanziamenti. Possiamo quindi dire che la ventennale transizione dai laboratori al mercato è in pieno svolgimento. La qualità dei materiali è in netto miglioramento e i prezzi sono in costante calo. Il solo mercato dei nanotubi, uno dei materiali-simbolo della nanotecnologia, è cresciuto, sempre nel 2006, dell’86%.
Praticamente tutti i campi scientifici e tecnologici sono coperti dalla ricerca alla nanoscala e quasi tutti i settori industriali - automobilistico, aeronautico, navale, edilizio, chimico, elettronico, ottico - sono coinvolti in questo gigantesco sviluppo tecnologico. Lo sviluppo si diffonderà sempre di più in attrezzi per le diagnosi mediche, in materiali composti di nanotubi, nella produzione di idrogeno, in nuove colle e lubrificanti, nei rivestimenti resistenti alla corrosione, nelle nano-membrane per il filtraggio dell’acqua.
È chiaro che l’ambizione della nanotecnologia non si limita a studiare le proprietà di materiali noti, ma va ben oltre, e cioè mira a “modificare la struttura microscopica della materia allo scopo di estrarre nuovi materiali con nuove proprietà” (NanoTechWire.com); in altre parole, ad acquisire la capacità che la natura ha di costruire dal basso verso l’alto a partire dalla nanoscala. “La natura sta lavorando a livello di nanotecnolgia da molto tempo ed è divenuta un’esperta in materia” (Jo Twist).
Le cellule di cui è composto il nostro corpo sono nanomacchine naturali a tutti gli effetti, così come lo sono i piedi del geco, le proprietà idro-repellenti delle foglie di loto, le qualità idrofile dello scarafaggio del deserto della Namibia, la struttura fotonica delle ali delle farfalle, i denti del pesce-pappagallo delle barriere coralline.
Lo studio e la comprensione dei meccanismi di funzionamento di queste nanomacchine naturali sta aprendo il campo ad applicazioni pratiche di grande importanza.
a. L’effetto loto
Gli scienziati stanno cercando di comprendere a fondo due caratteristiche peculiari delle foglie di loto: la scarsa presenza di batteri e l’idrorepellenza. Benché questi fiori crescano anche in invasi d’acqua sporca e inquinata è difficile trovare sulla superficie delle foglie tracce di contaminazione e solo il 2-3% delle gocce di pioggia viene a contatto con essa. Gli scienziati, scrive Lisa Zyga “hanno sviluppato modelli teorici sui meccanismi basilari delle proprietà di auto-pulizia della foglia di loto. Fondamentalmente, la foglia di loto ha una struttura a due livelli che condiziona il suo comportamento – protuberanze alla micro-scala e strutture simili a peli alla nano-scala – accoppiata alla composizione chimica cerosa della foglia”.
I prodotti auto-pulenti, dalle pitture ai vetri al calcestruzzo, funzionano grazie all’effetto loto. Ulteriori progressi potranno sfociare in coltelli, forchette, piatti e bicchieri auto-pulenti e a prova di contaminazione batterica. I ricercatori dell’Università di Twente, in Olanda, sono riusciti a ricreare una superficie simile a quella della foglia di loto, ma senza l’uso della cera per l’idrorepellenza, bombardando la superficie di un polimero con un raggio laser ultra veloce, che aveva la frequenza di un femtosecondo (un milionesimo di nanosecondo).
b. L’effetto geco
Cosa consente a molti animali di scalare indifferentemente pareti e lastre di vetro o stare attaccati a un soffitto? Né più né meno che micro o nano-elementi. La maggior forza adesiva è stata, finora, individuata nei suppersottili peli di cui sono ricoperti i piedi nel geco. “Il geco è l’animale più pesante che può stare sospeso su un soffitto, con i piedi al sopra della testa. Nel solo pollice del geco c’è qualcosa come un miliardo di sottili peli adesivi, circa 200 nanometri in larghezza e lunghezza” (Michael Berger).
Ricercatori dell’Università di Akron, Ohio, e del Rensselaer Polytechnic Institute, ponendo nanotubi multistrati (MWNTs) sulla superficie di un polimero, hanno creato un adesivo simile ai piedi del geco, molto più elastico e 200 volte più resistente.
Molto interessanti anche le ricerche del Max Planck Institute for Metals Research di Stoccarda, in Germania. Non solo hanno scoperto che esiste un forma per un’adesione ottimale, ma anche che l’adesione migliora in presenza dell’umidità. Mettendo a frutto queste scoperte hanno sviluppato “un materiale con una struttura biomimetica che mostra eccellenti qualità adesive. La speciale struttura della superficie del materiale gli consente di aderire a muri lisci senza alcun tipo di adesivo. Le potenziali applicazioni vanno dal nastro adesivo riusabile alle suole delle scarpe di robot, e sono quindi considerevolmente rilevanti per la tecnologia” (Michael Berger).
Un robot di 120 grammi dotato di suole con tale materiale ha scalato una parete verticale in vetro.
c. L’effetto scarafaggio
Lo scarafaggio del deserto della Namibia possiede un sofisticato nano-sistema per la raccolta di acqua nell’arido ambiente del deserto. L’unica fonte di approvvigionamento è l’umidità portata dalla nebbia. “Quando la nebbia scorre orizzontalmente sul dorso dello scarafaggio, sottili gocce d’acqua, da 15 a 20 microns - un milionesimo di metro - in diametro, iniziano ad accumularsi in cima alle protuberanze del dorso. Le protuberanze, che attirano l’acqua, sono circondate da canali cerati idro-repellenti” (Physorg.com). Man mano che l’accumulo di acqua aumenta, ogni singola goccia aumenta di volume e “quando diventa grossa - spiega Michael Rubner, professore di Polymer Materials Science and Engineering e ricercatore del MIT - supera la forza di rotazione che la sostiene e rotola nella bocca dello scarafaggio per un sorso d’acqua fresca”.
A seguito di queste scoperte i ricercatori del MIT hanno prodotto un materiale, utilizzando polimeri e nanoparticelle di silice, che può catturare e controllare piccolissime quantità d’acqua con potenziali applicazioni nel campo dell’accumulo di acqua, sistemi di raffreddamento e chip diagnostici. Un’altra possibile applicazione potrebbe essere quella della decontaminazione.
d. L’effetto farfalla
I ricercatori della General Electric Company “hanno scoperto che le nanostrutture nelle squame delle ali delle farfalle mostrano proprietà ottiche ad alto rendimento che facilitano l’individuazione selezionata dei vapori. La scoperta potrebbe portare alla progettazione di sensori chimici altamente acuti per applicazioni sulla detenzione di vapori che vanno dalla sicurezza, alla fabbricazione, alla prevenzione medica”.
Applicazioni commerciali sono annunciate non prima del 2012.
Replicando la struttura del colore delle ali della farfalla, i ricercatori del Georgia Institute of Technology di Atlanta, Georgia, hanno prodotto una nuova tecnologia, che usa biomodelli, per la costruzione di nanostrutture che servano da onde-guida ottiche, splitters ottici, e altri circuiti fotonici integrati.
I cristalli fotonici individuati nelle ali di farfalla sono un esempio di materiale che blocca certe frequenze di luce lasciandone filtrare altre: “Questo li rende ‘accordabili’… Qualsiasi cosa accordabile è per definizione controllabile e quindi utile per applicazioni pratiche. I cristalli fotonici sono usati molto spesso come onde-guida per la luce nei sistemi di telecomunicazione/fibre ottiche o in altri sistemi in cui gli scienziati vogliono essere in grado di controllare sia la frequenza sia la direzione della luce” (Jennifer Ouelette).
I ricercatori della University of Toronto, Canada, hanno creato un tipo di cristallo fotonico elastico che cambia colore quando viene compresso. Le possibili applicazioni vanno dalla cattura delle impronte digitali a colori, agli airbag, ai sensori per apparecchiature elettroniche a pressione.
e. L’effetto conchiglia
La struttura della madreperla e della conchiglia delle ostriche, una struttura costruita strato per strato, hanno ispirato i ricercatori della University of Michigan nella creazione di un foglio plastico composto di strati di nanofogli di argilla e di un polimero idro-solubile con le stesse caratteristiche chimiche della colla, che è resistente quanto l’acciaio ma più leggero e trasparente.
“Gli scienziati [della University of Michigan] hanno risolto un problema che ha confuso ingegneri e scienziati per decenni: blocchi costruttivi individuali di dimensioni nano, come nanotubi, nanofogli e nanobarre sono resistentissimi, ma materiali di dimensioni maggiori fatti con l’unione di blocchi costruttivi individuali di dimensioni nano erano comparativamente deboli. Fino ad ora. I ricercatori hanno creato questa plastica composta con una macchina da loro sviluppata che costruisce i materiali un nanostrato su un altro” (Azonano.com).
Nel 1985 viene scoperta una nuova struttura molecolare: una sfera costituita da 60 atomi di carbonio organizzati in 12 pentagoni. Qualcosa che ricorda le celebri strutture geodetiche di Buckminster Fuller, in onore del quale viene battezzata la nuova molecola: Buckminsterfullerene più semplicemente fullerene. Per questa scoperta Harry Kroto, Robert Curl e Rick riceveranno, nel 1996, il Nobel. Questa struttura molecolare condivide con le strutture geodetiche le proprietà di resistenza e leggerezza. Inoltre, compresse del 70%, acquistano una durezza doppia del diamante. Comprensibile l’entusiasmo che la scoperta ha suscitato.
Nel 1991 lo scienziato giapponese Sumio Iijima scopre lunghi cilindri vuoti di atomi di carbonio: sono gli ormai più che celebri nanotubi, che posso essere a parete unica o multipla.
La rivoluzione nanotecnologica è ormai all’ordine del giorno. Ma il raggio delle ricerche e delle applicazioni è enorme: non resta che aspettare e vedere le future evoluzioni.
