Nanotecnologia

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Introduzione

Nanotecnologia Settore della tecnologia che si occupa dello sviluppo di materiali e prodotti industriali caratterizzati da dimensioni della struttura interna o dell’oggetto finito inferiori a 100 nanometri (1 nm = 10^-9 m, ovvero un miliardesimo di metro).

La nanotecnologia, oggi in fase di sviluppo, porterà alla creazione di nuovi materiali, con composizione chimica e proprietà chimico-fisiche definite in modo estremamente preciso, per la realizzazione di strutture di grande durezza e di componenti per computer altamente miniaturizzati. Consentirà inoltre la messa a punto di metodi rivoluzionari nelle tecniche chirurgiche e nella fabbricazione industriale, prima fra tutte la manipolazione atomo per atomo.

Il termine “nanotecnologia” fu coniato nel 1974 dallo scienziato giapponese Taniguchi Norio, che lo utilizzò per la prima volta in un articolo dedicato ai fondamenti della tecnologia su scala nanometrica. Fu tuttavia l’opera dell’ingegnere statunitense Eric Drexler, Engines of Creation (1986), che ne sancì la diffusione.

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Definizione della scala di grandezza

La scala nanometrica è importante perché costituisce il limite inferiore dimensionale della materia solida e perché molti dei meccanismi biologici e fisici avvengono su scala nanometrica, vale a dire su distanze dell’ordine degli 0,1-100 nm.

Per comprendere a quanto corrisponde la scala di grandezza di un nanometro basti pensare che il diametro di un capello umano misura mediamente 100 micrometri (µm), vale a dire 100.000 nm (un micrometro equivale a un milionesimo di metro: 1 µm = 10^-6 m); un tipico batterio ha un diametro cento volte più piccolo di quello di un capello, cioè di 1 µm; un virus è circa un decimo più piccolo, ovvero misura circa 100 nm; la singola proteina che costituisce l’involucro del virus ha uno spessore di 10 nm; la lunghezza di 1 nm è equivalente a circa 10 diametri atomici, oppure alla dimensione di uno degli amminoacidi che formano le molecole proteiche.

Si comprende bene, dunque, che 1 nm è una scala dimensionale che sembra preclusa alla manipolazione industriale: è proprio questa la sfida che nuove tecnologie hanno raccolto e stanno tentando di vincere.

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Origini della nanotecnologia

Precursore della nanotecnologia fu il fisico statunitense Richard Feynman: nella lezione tenuta il 29 dicembre del 1959 all’American Physical Society, dal titolo “There’s plenty of space at the bottom” (C’è un sacco di spazio alla base), Feynman illustrò i benefici che sarebbero venuti alla società se si fosse stati in grado di manipolare la materia realizzando manufatti con una precisione a livello atomico, vale a dire dell’ordine del nanometro.

Lo scienziato aveva previsto correttamente l’impatto che la miniaturizzazione avrebbe avuto sulle capacità dei calcolatori elettronici e preconizzò lo sviluppo dei metodi attualmente utilizzati per produrre i circuiti integrati. Aveva previsto anche la nascita delle tecniche di microscrittura tramite fasci di elettroni e la possibilità di costruire macchine che operassero interventi su scala molecolare.

Dopo Feynman, alla fine degli anni Settanta Eric Drexler ha definito in modo più fattivo il concetto di nanotecnologia e indicato la strada della ricerca in questo campo. Oggi, in Europa, Stati Uniti e Giappone la ricerca scientifica si sta muovendo per costruire macchine submicrometriche capaci di manipolare gli atomi.

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Nanotecnologia top-down

Taniguchi Norio, nel suo articolo del 1974, aveva sostenuto che, se gli interventi atti a innalzare il livello di precisione della fabbricazione industriale fossero continuati con il ritmo di allora, entro il 2000 i componenti ottenuti con macchine comuni avrebbero avuto un’accuratezza di 1 µm, quelli ottenuti con macchine di precisione avrebbero avuto un’accuratezza delle dimensioni di 10 nm e di 1 nm da quelle di ultraprecisione. La previsione di Taniguchi si è rivelata corretta: il settore della tecnologia di cui egli parlava viene oggi definita “nanotecnologia top-down” (dall’alto verso il basso, o dal grande al piccolo): il suo approccio consiste quindi nella miniaturizzazione, nel perfezionamento di sistemi di fabbricazione già esistenti.

La possibilità di controllare la precisione delle macchine a livelli così elevati non offre solo il vantaggio di produrre oggetti dalla forma perfettamente definita, ma anche di manipolare materiali finora inadatti alla lavorazione a macchina perché fragili. Questi diventano infatti perfettamente lavorabili se il taglio ha uno spessore inferiore a un determinato valore critico (generalmente inferiore al micrometro). Utilizzando macchine di ultraprecisione si evita, in fase di taglio, la formazione di microcrepe e non si danneggia la porzione di materiale circostante.

Un’altra applicazione tipica della meccanica di ultraprecisione è la molatura, effettuata tramite una punta (generalmente ricoperta di particelle di diamante o di nitruro di boro) che ruota a velocità elevatissime, di decine di migliaia di rotazioni al minuto. Con questo tipo di tecnologia, la lavorazione industriale dei materiali friabili dà buoni risultati dal punto di vista delle rifiniture di superficie e della riduzione dei danni subsuperficiali, con conseguente allungamento della durata dei prodotti. Le principali applicazioni della molatura sono, ad esempio, la rifinitura dei bordi delle lastrine (wafer) di silicio per i circuiti integrati, la forgiatura dei dischi in vetroceramica utilizzati come substrato nelle unità per disco rigido dei computer, oppure la molatura di materiali caratterizzati da un alto valore di durezza, come gli alberi a camme dei motori per automobili.