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Nanotecnologie

Nanotecnologie

 Lavorare su scala dell’infinitamente piccolo è ormai diventato realtà. Le nanotecnologie stanno diventando sempre più parte della nostra vita quotidiana: le ritroviamo negli ospedali, nell’edilizia, nelle fabbriche e perfino nei nostri vestiti e in ciò che mangiamo. Le applicazioni della nanotecnologia, infatti, spaziano nelle più diverse discipline scientifiche e pratiche:  dalla chimica all’ingegneria, dalla fisica alla medicina. Ma cos’è esattamente la nanotecnologia? Si tratta dell’applicazione pratica della nanoscienza, di cui una definizione universalmente accettata ancora non esiste, ma ve ne sono diverse e simili tra loro. Una di queste, data nel 2004 dal Royal Society & The Royal Academy of Engineering (UK), afferma che:

- la nanoscienza è lo studio dei fenomeni e la manipolazione dei materiali su scala atomica, molecolare e macromolecolare, le cui proprietà differiscono in modo significativo rispetto a quelle su larga scala. 
In pratica la nanotecnologia punta a sfruttare e ad applicare i metodi e le conoscenze derivanti dalle nanoscienze, facendo riferimento ad un insieme di tecnologie, tecniche e processi che richiedono un approccio multidisciplinare e che consentono la creazione e utilizzazione di materiali, dispositivi e sistemi con dimensioni a livello nanometrico. 
L’unità di misura è appunto il nanometro (nm), che corrisponde a un miliardesimo di metro. Per farsi un’idea: un foglio di carta è spesso circa 100.000 nanometri, una proteina può misurare 10 nanometri, una molecola lineare formata da 10 atomi misura 1 nanometro, un atomo mediamente misura 0,1 nanometri. Il mondo delle nanotecnologie è quello compreso tra 1 e 100 nanometri e sono chiamati “nanoprodotti” quei materiali o dispositivi nei quali vi è almeno un componente funzionale che ha dimensioni inferiori a 100 nm.
Copiare dalla natura. La natura offre dei bellissimi esempi di nanotecnologie: essa assembla atomi e molecole in sistemi più complessi che perfeziona in millenni di evoluzione fino ad ottenere le proprietà, le funzioni e i materiali che caratterizzano alla fine il macro-mondo che noi vediamo. Ecco perché molte delle applicazioni della nanotecnologia sono ottenute proprio studiando e imitando la natura. Un esempio è la farfalla Morpho: se tocchiamo le sue ali, sulle nostre dita rimane una polverina colorata; ingrandendo quest´ultima fino a livello nanometrico possiamo notare che essa è formata da una serie di strutture simili ad alberelli di Natale. Vediamo, inoltre, che la farfalla è blu fosforescente non a causa di una sostanza colorata, ma grazie alla particolare interazione della luce con ognuno dei "rami" delle "strutture alberello" della polverina. Questo esempio mostra un fenomeno del tutto analogo a quello utilizzato nei nuovi dispositivi nanometrici chiamati "Cristalli Fotonici", che hanno numerose proprietà ottiche destinate a molti usi. E non è che uno dei tanti insegnamenti offertici dalla natura.
La nanotecnologia utilizza due differenti approcci:
-  Bottom-up, in cui i materiali e i dispositivi sono realizzati partendo da componenti molecolari che si auto-assemblano tramite legami chimici, sfruttando principi di riconoscimento molecolare (chimica supramolecolare); in pratica si creano strutture a livello nanomentrico replicando in maniera controllata processi che già avvengono in natura ottenendo così quelle proprietà che sono specifiche della scala nanometrica.
- Top-down: i dispositivi sono fabbricati da materiali macroscopici attraverso un attento controllo dei processi di miniaturizzazione a livello atomico; in pratica si riducono con metodi fisici le dimensioni delle strutture verso livelli nano. La nanoelettronica e la nanoingegneria sono le aree di elezione di questo approccio. 
Settori. Lo studio e le applicazioni delle nanotecnologie toccano diversi settori, tutti ovviamente col prefisso “nano”:
- Nanobiotecnologia: comprende sia l´uso delle nanotecnologie per studiare la materia biologica (attraverso i microscopi a forza atomica  per "vedere" le cellule, le proteine, le molecole di DNA , ecc), sia l´uso di materia biologica come componente di nuovi materiali e dispositivi (puntando all’impiego di biomolecole per sviluppare nuovi materiali e dispositivi ibridi). In questo caso si parla anche di nanobioelettrica, cioè l´elettronica che utilizza elementi biologici come componenti. 
-Nanoelettronica: è lo sviluppo della microelettronica che punta alla miniaturizzazione estrema dei componenti elettronici.
-Nanomeccanica: Prevede lo sviluppo di meccanismi e congegni di dimensioni ridottissime con un possibile impiego nella strumentistica di precisione, specie la chirurgia. 
-Nanotecnologie in medicina: qui la sfida sfida si articola nelle direttrici classiche della diagnosi precoce, e delle cure sempre più mirate, specie nella lotta contro i tumori. Nel primo caso si tratta di creare tramite le nanotecnologie dei metodi sempre più precisi e veloci per trovare le proteine giuste che consentano di effettuare una diagnosi precoce; nel secondo caso si tratta di creare farmaci “a target”, capaci cioè di agire anche su meccanismi meno specifici e più comuni a un maggior numero di pazienti, a patto però riuscire a mandarli esattamente e solo dove si vuole, cioè al loro bersaglio, in modo che facciano molto effetto e pochi danni ai tessuti sani. 
Nanomateriali. Come abbiamo visto, la nanotecnologia non è semplicemente lo studio della materia ad una scala molecolare ma è un’applicazione pratica delle conoscenze dell´infinitamente piccolo allo scopo di intervenire direttamente sulla disposizione delle molecole all´interno di un materiale. Da anni i ricercatori stanno lavorando sui materiali compositi, ottenuti combinando fra loro diverse entità o inserendo in una matrice di base dei rinforzi artificiali. L´unione permette di ottenere materiali con proprietà meccaniche, termiche, elettriche migliori rispetto a quelle dei singoli costituenti, come materiali più resistenti, leggeri e poco vulnerabili alla corrosione. 
Prodotti e utilizzi. I prodotti, anche quelli che entrano a far parte della nostra vita quotidiana, sono spesso riconducibili ai cosiddetti nanomateriali: si tratta di materiali, sia organici che inorganici, di dimensioni nanometriche, che possono presentare particolari proprietà strutturali, di trasporto, magnetiche ed ottiche. Questi nanomateriali possono essere organizzati in sistemi nanostrutturati più complessi, sia utilizzando il metodo Top-Down che il metodo Bottom-Up. Moltissimi prodotti riconducibili all’utilizzo delle nanotecnologie sono già disponibili sul mercato o sono pronti per essere immessi: nanoparticelle per cosmetici o per coatings e vernici, tessili tecnici e abbigliamento, articoli sportivi, ma anche nanocompositi, “hard disks” con superfici nanostrutturate per registrazione dati ad altissima densità, “chips” di memoria con dimensioni inferiori a 100 nm, dispositivi fotonici, superfici autopulenti, sistemi per diagnostica medica. 
E’ soprattutto in medicina che ci sono le aspettative più grandi. Entro i prossimi 3-5 anni, sono attesi sistemi avanzati per la somministrazione mirata di farmaci, protesi mediche più resistenti e con migliorata biocompatibilità, materiali avanzati innovativi per i sistemi di trasporto, nuovi sistemi di produzione e stoccaggio dell’energia. Le applicazioni potenziali sono letteralmente infinite. Altrettanto importanti possono essere le ricadute positive delle nanotecnologie per l’ambiente. Il loro apporto può essere infatti determinante per lo sviluppo di processi produttivi piu efficienti, meno inquinanti, con minor consumo di materie prime, per la realizzazione di nuovi sistemi energetici, o di disinquinamento. In una parola, le nanotecnologie possono contribuire in maniera decisiva alla promozione di uno sviluppo sostenibile. 
Rischi. Le nanotecnologie, pur promettendo miracoli in tutti i settori, non sono esenti da rischi, messi in luce soprattutto dai vari comitati di bioetica. La possibilità autoreplicante dei nano-robot (legata all’approccio del bottom-up), o le proprietà chimiche ancora sconosciute di alcuni materiali sono solo alcune delle paure che questa nuova applicazione della scienza suscita nella popolazione mondiale ma anche in determinati ambienti scientifici. Proprio di queste paure si nutre molta della letteratura di fantascienza, descrivendo scenari futuristici che spaziano dall’apocalisse nanotecnologica all’utopia. 
Un po’ di storia. Richard Feynman, premio Nobel per la Fisica nel 1965, è il primo ha avuto la visione delle enormi potenzialità di questa tecnologiache. In una famosa conferenza del 1959 tenutasi al California Institute of Technology, pronunciò una frase passata alla storia: “There is plenty of room at the bottom”, ovvero: c´è un sacco di spazio sotto. Sotto, si riferisce alle  dimensioni degli atomi, e ciò che Feynman aveva in quel momento quasi profeticamente intuito è il fatto che sia possibile manipolare la materia atomo per atomo, molecola per molecola.
Nel 1981, Eric Drexler pubblicò un articolo intitolato "Ingegneria molecolare: un approccio allo sviluppo delle capacità necessarie per la manipolazione molecolare" su Proceedings of the National Academy of Science, USA. Si tratta della prima pubblicazione scientifica in cui la fattibilità della nanotecnologia fu dimostrata. Drexler utilizza l’esistenza delle complesse strutture molecolari presenti in ogni sistema vivente per dimostrare la possibilità teorica della progettazione e costruzione di strutture altrettanto o più complesse con mezzi di ingegneria molecolare.
Sempre negli anni ottanta venne elaborato il microscopio a scansione effetto tunnel e nel 1985 si fece una scoperta molto rilevante, che valse il premio Nobel per la Chimica ad Harold Kroto, Robert Curl e Richard Smalley nel 1996, ovvero la scoperta del fullerene, una forma alternativa del carbonio: il carbonio elementare è presente in natura solo sotto forma di diamante e grafite; è, però, possibile strutturare gli atomi di carbonio in modo da ottenere una molecola di fullerene, di dimensioni nanometriche. 
Nel 1998 esce il libro “Nanomedicine, Volume I, Basic Capabilities”, di Robert Freitas: si tratta dell primo volume dedicato alle potenziali applicazioni nanotecnologiche nel settore medico. Da allora la nanotecnologia è diventata un’area di ricerca scientifica affermata, con milioni di dollari sono investiti ogni anno da gruppi pubblici e privati.
 
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