Biancaneve… ed una NANO-tecnologia

(Quando le dimensioni contano)

Billy stai molto attento perché ho una mazza chiodata accanto e qualora ti venisse in mente di fare riferimento a quello che la tua biancheria intima contiene; sappi che non esiterò ad utilizzare, contro te, l’arma; finché non stramazzerai, implorante, a terra.

Piccola premessa.

Generalmente durante le vacanze trascorse nella madre patria, accade di continuo che la gente curiosando, venga a chiedermi cosa stia studiando e perché abbia deciso di percorrere più di 1000 Km per frequentare la mia attuale università. Allora io, Billy, tutto orgoglioso, con voce tonante, dico: “ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie”.

Arrivati a questo punto il 98% di loro ha già dimenticato la prima parte del nome del corso di studio e si focalizza su “NANOTECNOLOGIE”.  Tra tutta questa gente bisogna, a questo punto fare ulteriore differenziazione. Billy vediamo in quale ti riconosci:

1. Una minima parte, consapevole della propria ignoranza, si ferma ci pensa un attimo e subito dopo mi chiede in cosa consiste.
2. La gran parte invece, inebriata da una così bella parola inizia ad elencarmi fantasmagoriche applicazioni che secondo loro le nanotecnogie produrrebbero. Billy per farti capire come sia realmente a situazione ti riporto quelle più originali:

• Microcamere che possono rimanere sulla punta di un dito
• Virus e batteri
• Nano-robot

Ahimè non puoi immaginare quanto sia l’imbarazzo, ogni qual volta devo smontare i loro sogni di fantasia e riportarli alla realtà!

Billy, non mentire, sicuramente anche tu sarai finito nella seconda categoria! Ma non preoccuparti; è del tutto normale. Considera che le nanotecnologie sono una materia del tutto nuova e che rispetto alle altre scienze sono ancora da considerarsi agli albori. Infatti ad esempio la metallurgia è una gran vecchia signora considerando che le prime applicazioni risalgono al 6000 a.C.; la fisica è un po’ più giovane e la sua nascita può essere fatta coincidere con lo sviluppo del metodo sperimentale, quindi intorno al XVII secolo.

Invece la nostra gran protagonista ha poco più di 50 anni! Un’arzilla donna di mezza età insomma se si parlasse in tempistiche umane! Ma siccome stiamo tracciando una cronostroria scientifica dobbiamo considerarla quasi come un neonato!

La prima volta che si sente parlare di nanotecnologie è nel 1959 quando il grande fisico Feynman nel suo discorso “there’s plenty of room at the bottom” (c’è un sacco di spazio lì in fondo) [qui il link del testo completo in lingua originale], immaginava di arrivare in un prossimo futuro nel quale si potesse manipolare la materia in scala nanometrica.

Ma procediamo con ordine Billy, se no arriviamo al termine dell’articolo senza averci capito una mazza chiodata.

Cosa sono le nanotecnologie?

Definiamo una “nano-cosa” (neologismo).

Una Nano-cosa è un qualcosa che si sviluppa nelle dimensioni dei nanometri e un nanometro è 10^{-9} volte un metro. Per capirci meglio Billy prendi un metro e inizialo a suddividerlo a metà, prendi una delle due parti e suddividila ancora. Considera che per arrivare al nanometro devi ripetere questa operazione per 1000000000 volte! Ma secondo me ancora non ti è chiaro quanto sia “grande” un nanometro per cui ti faccio un altro esempio: cerca un ago nel pagliaio! Trovato? No! Poco m’importa, segui il ragionamento. Per ottenere questa volta un nanometro devi dividere lungo lo spessore per 100000 volte. Praticamente un nanometro è circa 10 volte in più la grandezza media di un atomo!

Mi sa che però ancora non ci siamo vero? Non è importante. E’ un concetto che forse hai bisogno di metabolizzare in più tempo. Esercitati a suddividere il metro e vedi che prima o poi arriverai a capire il vero senso della vita. Piuttosto invece di tergiversare continuiamo nella nostra descrizione.

Dunque ricapitolando, una nano-cosa per essere definita tale deve avere almeno una delle sue tre dimensioni (volgarmente altezza, lunghezza e/o larghezza) a livello nanometrico.

Per cui con il termine nanotecnologie, facendo un po’ di etimologia greca tékhne-loghìa, si indicheranno i “discorsi” sulle nano-cose!

Billy lo so cosa stai pensando. Smettila di ridacchiare sul fatto che io abbia percorso più di mille Km per studiare cose che sono nella scala dei nanometri! Si, può sembrare un paradosso.

Parliamo invece ora di quali siano le proprietà e capire perché effettivamente ci sia gente che perde tempo a studiarle o chi lo perde scrivendoci articoli. Sono così importanti che mentre a Biancaneve ne sono serviti ben sette di nani, l’ingegnere medio si accontenta di studiare cosa avviene solo ad un nano che è quello del metro. Ogni qual volta si arriva nel fantastico mondo dei nanometri, infatti, succedono un po’ di cose bizzarre, te ne elenco qualcuna per farti capire.

1. Ogni qual volta si tende a diminuire la dimensione di una particella (con conseguente diminuzione del volume) la sua superficie tende ad aumentare. Detto così sembra una gran cazz… ma Billy qui non si dicono le parolacce, si parla pur sempre della Sacra Scienza per bacco!  Immaginiamo di avere un particella con forma cubica per cui la sua area superficiale sarà 6XL² dove L naturalmente è il lato di una faccia; mentre il suo volume è di L³. Svolgendo il rapporto tra le due grandezze otteniamo: $$\frac{sup\mbox{erf}icie}{volume}=\frac{6\cdot L^{2}}{L^{3}}$$ ottenendo cosi 6/L!
   
   

   

   
   La linea blu rappresenta l’andamento della funzione che prende il fantastico nome di ramo d’ Iperbole. Dare un interpretazione al grafico è molto semplice. Sull’asse orizzontale poniamo L (la dimensione del nostro lato) mentre sull’asse verticale si fissa il rapporto tra le due grandezze. Più si prendono valori piccoli di L (spostandoci sull’asse orizzontale verso sinistra) più la curva tende a crescere per cui la superficie cresce molto più rapidamente rispetto al volume!Billy, non hai capito! E certo. Ti ho visto sai che sei andato in bagno a prendere certe misure invece di concentrarti sul rapporto superficie volume.Cerco di farti un esempio così da delucidarti le idee. Abbiamo un cubo questa volta il suo lato è pari ad un metro! Per cui la superficie sarà pari a sei metri mentre la sua area sarà pari ad 1 m³. Svolgendo il rapporto sopracitato otterremo 6 m^-1. Se invece come secondo esempio consideriamo sempre lo stesso cubo ma questa volta con lato pari a un nanometro (10^-9 m) lo stesso rapporto varrà 6000000000! Quindi in questo caso la superficie risulterà molto maggiore rispetto al volume!Per cui quando la tua bisnonna ti chiamerà perché è preoccupata delle perdite di gas in cucina, costruisci un rilevatore con particelle nanometriche: essendo presente maggiore superficie specifica il sensore sarà sensibilmente più sensibile (mi andava di fare allitterazione di s) e la nonna potrà appisolarsi anche con la pentola sul fuoco. (A proposito vi siete mai chiesti se l’acqua in pentola bolle prima con o senza coperchio: qui la risposta)
2. A seconda del tipo di forze, procedendo via via verso dimensioni più piccole alcune tenderanno a diminuire la loro intensità tipo la forza peso mentre altre tenderanno ad aumentarla, come ad esempio la forza di attrazione elettrostatica (forza di Coulomb).
3. È a questa scala di grandezza che diventa tangibile, tanto da essere misurato, l’effetto Tunnel, se ancora non hai letto l’articolo corri e fallo)
4. 
   

   

   
   La luce interagisce in modo diverso con tutto quello che è in scala nanometrica. Infatti essendo una radiazione elettromagnetica è caratterizzata dal possedere una lunghezza d’onda ed un ampiezza. Niente di difficile, Billy. E’ come quando prendi una corda e inizi a scuoterla in maniera continua e regolare così da generare proprio delle onde. In questo caso l’ampiezza la puoi paragonare a metà del movimento “su e giù” che fai compiere al tuo braccio mentre la lunghezza d’onda non è altro che la distanza tra due picchi.Ora immagina di voler far passare la tua onda attraverso una fenditura. L’onda passerà unicamente se l’apertura è abbastanza grande. La stessa cosa avviene con la luce visibile.Poiché la lunghezza d’onda della luce è nella scala di qualche centinaio di nanometri quando incontra degli oggetti nella scala nanometrica non sempre non riesce a passare dando vita a fenomeni particolari (come la diffrazione).

E questo è solo un semplice assaggio di quello che avviene. Perché più si va in giù nelle dimensioni più diventano tangibili fenomeni che sono oscuri all’occhio che vede nel mondo macroscopico.
Passiamo ora al lato interessante della cosa, nano-cosa. Quali sono gli aspetti applicativi di questo mondo?

Se sei appassionato all’arte in realtà dovresti conoscerne già qualcuno. Voglio infatti svelarti un segreto vedi questa coppa?

Beh se non sai cos’è te lo dico io. Si chiama coppa di Licurgo e se vuoi vederla dal vivo devi andare fino al British Museum. Quando si illumina da dietro cambia colore diventando rossa! Prova a dire a cosa dipende questo peculiare fenomeno? Esatto anche in questo caso dipende tutto alle nanotecnologie. Infatti nel vetro di cui è fatta la coppa sono disperse particelle nanometriche di oro, argento e rame.  Sì però ora non fare il puntiglioso, so senza andare su wikipedia che la coppa risale al IV secolo; ed io invece ti ho detto che le nanotecnologie sono una scienza giovane. Infatti è cosi, i romani hanno avuto fortuna e mischiando polveri più o meno a caso ottenendo questo fenomeno, quindi loro non conoscevano le nanoparticelle e di conseguenza non si puo far risalire la nascita delle nanotecnologie al IV secolo.

Billy dieci minuti sui ceci alla fine dell’articolo per non avermi creduto.
Ora ti stai sicuramente chiedendo, anche tu, in quale negozio coreano potresti andare a comprare dei robot in scala nanometrica così da crearne un esercito e conquistare un mondo. Sono rammaricato dal dover essere io a doverti comunicare che in realtà non abbiamo la minima idea (per ora) di come costruirli. Piuttosto guarda qua.

Questo è un motore molecolare di altezza 4,3 nanometri! Funziona? Si in pieno, se solo sapessimo fabbricarlo! Non siamo abbastanza bravi ancora purtroppo. Quella che vedi è una modellizzazione fatta al computer.

Sì però, sei pesante. Ti dico giusto un paio di cose che non sappiamo fare e subito getti la spugna! Si non sappiamo fare nulla che sia capace di muoversi autonomamente, per così dire. Arriva, però alla fine dell’articolo così sarai rincuorato un po’.

Billy, hai mai visto una foglia di loto? Ha la peculiare caratteristica di essere super-idrofobica, per cui quando una goccia d’acqua viene a contatto rimane completamente sferica.

L’uomo che non sa ancora costruire ancora dei nano-robot, però prendendo spunto dalla natura ha riprodotto lo stesso effetto. Immagina che figo, il ripiano della tua cucina fatto cosi, potresti sporcare il più possibile e con una semplice passata di straccio sarebbe subito pulito!

Passiamo ad applicazioni che possono avere interesse non solo per le casalinghe.

Attualmente i CD per immagazzinare informazioni utilizzano una forma in scrittura in bit in scala micrometrica ben 1000 volte più grande del nostro nanometro. Manipolando un po’ la materia si arriva a costituire invece delle schede di memoria che utilizzano delle nanoparticelle al posto dei bit!  Immagina dunque un’attuale memory-card fatta con questa tecnologia quanta musica ed immagini farebbe contenere in più al tuo cellulare. Per darti una idea una normale scheda di memoria di 1 GB se costruita per mezzo delle nanotecnologie diventerebbe di più o meno 1000 GB!

Guarda un po’ qua! Siamo ad un passo dal commercializzare schermi del tutto trasparenti e per di più flessibili grazie proprio al grafene che è in pieno una nanocosa!

Ma non è finita qua. Pensa ad un pallone da calcio: sappiamo farlo in scala nanometrica con atomi di carbonio. E sappiamo anche fare dei nanotubi e delle nanosuperfici. Ma non è giunto ancora il tempo di parlarne, magari lo faremo in un altro articolo così da approfondire anche tutte le applicazioni.

Billy, piuttosto studia! Ho bisogno di un collaboratore con cui sviluppare nuove idee con le nanotecnologie. Per cui ti do del tempo per capire meglio come funzionano.

Ad maiora!