NANOMATERIALI: ciò che sfugge all'occhio umano

"There's plenty of room at the bottom"! Sì, c'è moltissimo spazio là sotto. Ma sotto dove?

Nel lontano 1959 Richard Feynman, padre della cromodinamica quantistica, introduce i concetti alla base delle nanotecnologie nel corso di una lezione universitaria passata alla storia con l'intrigante titolo evocato prima. Il "basso" cui si riferisce il fisico statunitense è quello delle dimensioni submolecolari, dove il vuoto esistente tra i vari atomi di materia garantisce sufficienti "margini di manovra" per realizzare qualunque cosa. Circa sessant'anni fa Richard Feynman non riusciva comunque ancora a decifrare benissimo cosa potesse significare quel "qualunque cosa".

Il termine "nanotecnologia" fu coniato successivamente da Norio Taniguchi nel 1974 per descrivere la fabbricazione di materiali e manufatti con tolleranze nanometriche.

La nanoscienza nasce come "scienza a sé" solamente nel 1986, quando Kim Eric Drexler dà alle stampe il libro Engines of creation: the coming era of nanotechnologies.

Oggi questo particolare ramo della scienza si occupa della progettazione, caratterizzazione, produzione e applicazione di strutture, dispositivi e sistemi che prevedono il controllo della forma e della misura su scala nanometrica; le "nanomacchine" (robot, computer, circuiti) sono infatti composti da particelle di diametro compreso tra 1 e 100 nm e dunque più̀ grandi delle singole molecole, ma troppo piccoli per mostrare le proprietà macroscopiche dei materiali.

Le nanotecnologie interessano moltissimi settori, ad esempio l'elettronica e la fotonica (dispositivi nanoelettronici e nanofotonici), la meccanica (dispositivi nanomeccanici), la biologia (nanostrutture biologiche). Attraverso le nanotecnologie si intende controllare, a livello di sintesi/processo, la struttura dei materiali (metallici, ceramici, polimerici, compositi) a livello nanoscopico.

Molte delle nanotecnologie sono già usate da noi senza che ne siamo pienamente consapevoli, come i Led, per esempio, impiegati per illuminare le nostre case e che consumano pochissima energia.

In medicina si potranno somministrare i farmaci necessari interessando solamente le cellule malate, facendo sì che il principio attivo venga depositato direttamente sulla cellula, evitando così l'impiego massiccio di medicinali e riducendo quindi gli effetti collaterali, aumentando nel contempo l'efficacia degli stessi.

Anche nel campo dei trapianti le nanotecnologie potrebbero giocare un ruolo fondamentale in quanto si potrebbero migliorare le condizioni degli ammalati che necessitano di un organo grazie alla crescita tissutale dell'organo in questione.

Chimica: nella filtrazione delle acque sporche le nanotecnologie potrebbero offrire un miglior filtraggio con capacità di separare anche fasci di ioni di metalli, rimuovendo gli inquinanti di metalli pesanti tramite tecniche di separazione magnetica.

Le prospettive per l'utilizzo delle nanotecnologie lasciano ben sperare anche per un futuro più efficiente nel campo dell'energia: all'Università di Toronto hanno sperimentato nel 2005 uno spray di nanoparticelle che, spruzzato su una qualsiasi superficie, la rende immediatamente capace di catturare e immagazzinare l'energia solare.

Ma svariate sono le applicazioni nei settori più disparati: dalla medicina alla manipolazione e trascrizione del DNA, dall'abbigliamento alla creazione di nuove batterie più capienti e capaci di durare più a lungo. 

I nanomateriali hanno un rapporto molto elevato tra il numero di atomi sulla superficie e quelli all'interno, dovuto al fatto che hanno superfici molto estese rispetto al volume. Gli atomi in superficie sono molto reattivi, avendo siti di legame non saturati, e per questo sono ottimi catalizzatori e possono rendere più̀ efficienti gli impianti chimici, migliorare l'efficienza di combustione dei veicoli a motore e promuovere la trazione elettrica tra gli autoveicoli.

Oggi è possibile produrre film nanometrici in grado di catturare l'energia solare con rendimenti mai avuti prima e costruire celle solari a nanotubi di carbonio, capaci di convertire la luce in elettricità̀, funzionando come una cella fotovoltaica quasi ideale. I nanotubi di carbonio possono anche essere usati per rendere più̀ forti e resistenti alcuni materiali: rendono, infatti, prestazioni migliori delle fibre di carbonio, come elementi di rinforzo dei materiali compositi; ciò è dovuto alla loro bassa densità̀ e all'elevata capacità di sopportare notevoli livelli di deformazione plastica senza fratturarsi.

I nanotubi di carbonio possono anche essere utilizzati come microscopici sensori che assorbono le sostanze inquinanti e vengono quindi usati per il monitoraggio dell'aria.

L'unico problema a proposito delle nanotecnologie è la mancanza di una valutazione del loro impatto su ambiente e salute. Non sappiamo se a causa delle loro piccole dimensioni le nanoparticelle possano penetrare nell'organismo e nelle nostre cellule, o addirittura superare la barriera emato-encefalica, e che effetti potrebbero avere. Lascia ben sperare il fatto che le nanoparticelle tendano spontaneamente ad aggregarsi in grumi di dimensioni più̀ grandi, con minor capacità di penetrazione e meno rischi.


Il nostro interesse per tale argomento non si è concluso qui. Abbiamo voluto intervistare il dottor P. Pingue del laboratorio NEST di Pisa.

NEST, l'Impresa Nazionale per la NanoScience e la NanoTechnology, è un centro di ricerca e formazione interdisciplinare dove i fisici, i chimici e i biologi indagano questioni scientifiche a livello di nanoscala. Questa conoscenza viene sfruttata per sviluppare strumenti innovativi nanobiotecnologici, dispositivi e architetture nanoelettroniche e fotoniche -


Se volessimo intraprendere la ricerca nel campo della nanotecnologia, ci sono corsi specifici?

"Sì, esistono in varie Universitàà in Italia, inclusa quella di Pisa, in cui si fa ricerca sulle nanotecnologie e si tengono corsi di alto livello.

Si conoscono limiti e ci sono prospettive certe per questa scienza in evoluzione?

"I limiti sono innanzitutto fissati dalla fantasia degli scienziati e dalle tecnologie ancora in fieri per il controllo, la manipolazione e la modifica della materia alla nanoscala. Detto questo, siamo certi che le prospettive per le possibili applicazioni sono tante, soprattutto per la vita di tutti i giorni. Si stima la possibilità di un mercato enorme in questo senso, e tanti saranno gli oggetti e gli strumenti di derivazione "nano" che entreranno nella vita comune delle persone; altri tipi di oggetti e strumenti saranno sicuramente utilizzati in biologia e medicina, settori in grande espansione con le nano-biotecnologie e la nano-medicina."

Mariangela Difilippo