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Le nuove frontiere delle nanotecnologie

Roberto Fieschi

Il settore dei materiali, delle tecniche per realizzarli, dei dispositivi che grazie ad essi si possono costruire, è così importante che ad esso vorrei dedicare ancora queste poche righe. Le ho prese da un saggio che ho scritto recentemente.

A) Oggi, partendo dalla solida conoscenza delle proprietà della materia, si progettano materiali in grado di compiere nuove funzioni. Alcune importanti classi di materiali sono stati sviluppati negli ultimi decenni.

Fibre ottiche, filamenti di materiali  vetrosi o  polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce, e che trovano importanti applicazioni  nelle telecomunicazioni.

Superconduttori ad alta temperatura critica (1),  materiali che hanno temperatura di transizione relativamente elevate, ossia che possono essere mantenuti in condizione di superconduttività a temperature non troppo basse. Sono interessanti in campi come accumulazione e trasmissione di energia, motorizzazione elettrica, realizzazione di grandi campi magnetici.

Fullereni; fino agli anni Ottanta del secolo scorso la grafite e il diamante erano le uniche forme cristalline (allotropi) conosciute del carbonio; poi, negli esperimenti con fasci molecolari, si osservarono molecole con massa corrispondente in modo esatto a quella di 60 atomi di carbonio; la molecola di fullerene (C60) ha la forma simile a una sfera cava,  simile a un pallone da calcio.

Le nuove frontiere delle nanotecnologie

La struttura del fullrene

Grafene,  bidimensionale costituito da strati monoatomici di  carbonio  disposti in forma esagonale. E’ un buon conduttore di calore e di elettricità e risulta essere un ottimo materiale per dispositivi elettronici; è molto resistente meccanicamente, è flessibile  e trasparente; può essere piegato e arrotolato come un foglio di plastica. Per la sua scoperta, a Geim e Novoselov nel 2010 fu assegnato il Nobel.

Uno degli sviluppi relativamente recenti è quello dei cluster, piccolissimi aggregati di atomi depositati sulla superficie di un supporto, eventualmente un ossido. I cluster possono presentare proprietà ottiche, elettriche, magnetiche, chimiche   speciali,  diverse da quelle di un solido macroscopico e che hanno applicazioni pratiche interessanti. Per esempio, le proprietà ottiche  aprono prospettive nuove nel campo della optoelettronica, quindi delle telecomunicazioni; quelle magnetiche nel campo delle memorie dei computer.

Il campo delle nanotecnologie è tuttora in rapida espansione. Recentemente alla Cornell University  è stato realizzato un vetro con uno spessore di una singola molecola. Per avere un’idea di quanto ciò significhi, si pensi che un comune vetro da finestra dello spessore di qualche millimetro potrebbe contenere circa mille fogli di questo nuovo materiale vetroso!

B)  Gli strumenti di indagine sulla struttura e sulle proprietà fisiche dei materiali giocano un ruolo essenziale; cito ad esempio la diffrazione X, la microscopia elettronica , il microscopio a forza atomica (AFM), lo scanning tunnelling microscope (STM), che fornisce immagini della materia su scala atomica. L’impiego di strumenti originali come quelli per l’epitassia da fasci molecolari (MBE) consente  la produzione di nuovi materiali progettati ad hoc.

La MBE, basata su concetti espressi negli anni ’50, si è sviluppata dopo il 1970; questa tecnica di preparazione di un materiale  permette  un controllo   dello spessore  degli strati che via via si fanno crescere dell’ordine di un singolo strato  atomico . Così si sono  costruiti materiali artificiali, realizzate strutture con proprietà ottiche o elettroniche predeterminate, e dato impulso alla fisica dei sistemi a dimensionalità ridotta.

In Italia il primo apparato MBE è stato realizzato all’Istituto  MASPEC (ora  IMEM), alla fine degli anni ’70, da due giovani brillanti ricercatori, Antonio Bosacchi e Secondo Franchi.

Grafene

Grafene

Questa, e altre tecniche, hanno portato all’apertura dell’ampio campo che rientra nel settore delle “nanotecnologie”. Il termine indica il ramo della  scienza applicata e della tecnologia che si occupa del controllo e della manipolazione della materia a livello atomico e della progettazione e realizzazione di dispositivi a tale scala. Le sue applicazioni non riguardano solo la scienza dei materiali, ma si estendono all’elettronica, all’ingegneria meccanica e, in parte, ad altre discipline.

Il primo riferimento alla nanotecnologia (non utilizzando ancora questo termine) risale al discorso tenuto dal premio Nobel Richard Feynman nel 1959;  in una sua famosa presentazione-seminario gettò le basi della nanotecnologia parlando della possibilità fisica di manipolare la materia su scala atomica  e dalle immense potenzialità offerte.

Da allora uno slancio decisivo è stato dato alle nanotecnologie dall’industria elettronica nella tendenza alla miniaturizzazione sempre più spinta.

(1) I metalli conducono l’elettricità e la conducibilità cresce al diminuire della temperatura; all’inizio del secolo scorso si scoprì che in alcuni metalli e leghe, a temperature molto basse, al di sotto di una temperatura detta critica,  la conducibilità diventa improvvisamente infinita: il metallo è allora passato dallo stato di normale  conduttore a quello di superconduttore.

Ultimi commenti

  • Che poi non mi ero mai chiesta in effetti cosa fosse la fibra ottica. A volte uno pensa che Aristotele avesse ragione, e a volte si ricrede. Poi si spera sempre che ci speri ancora.

  • Aristotele ha scritto: Tutti gli uomini per natura desiderano conoscere. Ma a quel tempo non si conoscevano molte cose.