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Discussione: Le nanotecnologie

  1. #1
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    Le nanotecnologie

    Salve amici,
    il 29 dicembre 1959 il celebre fisico americano Richard Feynman, uno dei padri della QED (elettrodinamica quantistica), tenne un famoso discorso presso il Caltech (California Institute of Technology), intitolato "There's plenty of room at the bottom" ("C'è un sacco di spazio laggiù in fondo"), nel quale predisse che l'uomo, di lì a poco tempo, sarebbe stato in grado di manipolare la materia a livello di singolo atomo, dando così l'avvio al dibattito "teorico" su quel "new field of Physics", cioè quel nuovo campo della Fisica, che è conosciuto con il nome di "nanotecnologie" (termine coniato da Drexler nel 1975).

    Cito un breve brano tratto da quella conferenza: "Non ho paura di affrontare la domanda finale cioè se alla fine, nel grande futuro che ci aspetta, saremo in grado di disporre gli atomi nel modo che vogliamo; proprio gli atomi, laggiù in fondo ! Che cosa accadrebbe se potessimo disporre gli atomi uno per uno come vogliamo ? (in posizioni chimicamente stabili, ovviamente)".
    Per chi fosse interessato all'intero intervento di R. Feynman, ecco la trascrizione (in lingua originale, in italiano non l'ho trovato):
    http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=13&cad=rja& uact=8&ved=0CHIQFjAM&url=http://www.phy.pku.edu.cn/~qhcao/resources/class/QM/Feynman%27s-Talk.pdf&ei=VfFmVY-3E8adsAGDr4CYDw&usg=AFQjCNERHATHKjJ1Ya91CDladuGatO N89A&sig2=bmyXCEfRDdbEIvK_Qw3OlA
    Ma cosa studiano le nanoscienze ?
    Le nanoscienze studiano le proprietà della materia con dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri (ricordo che 1nm = 10^(-9)m), allo scopo di comprendere come essa si comporti e possa interagire con altri sistemi materiali, dando luogo a sistemi più complessi e con proprietà nuove.
    Nel campo dell'elettronica, ad esempio, le nanotecnologie hanno consentito la costruzione di componenti elettronici sempre più piccoli, da cui si sono sviluppati i chip, nei quali occorre monitorare la crescita di strati di materiale a spessore nanometrico, e i microprocessori.
    In biologia, grazie soprattutto alla disponibilità di nuovi strumenti microscopici come i microscopi a scansione ad effetto tunnel (STM), è stato possibile analizzare le proprietà di biomolecole come il DNA e le proteine (studi che hanno portato allo sviluppo della nano-bioelettronica, cioè all'utilizzo di nanosistemi biologici in applicazioni di nanoelettronica).
    In medicina, o meglio in nanomedicina, le nanoparticelle possono essere efficacemente utilizzate come particelle-vettore in grado di curare alcune patologie tumorali.
    Sulle leggi della fisica quantistica sono basati i diodi laser (utilizzati nella propagazione "guidata" nelle fibre ottiche in quanto producono luce "coerente", a differenza dei LED che producono, invece, luce "incoerente"), dispositivi optoelettronici progettati per emettere luce ad una determinata frequenza.
    Infine, grazie alla chimica "supramolecolare", sono state costruite delle nanomacchine "molecolari" in grado di compiere, quando opportunamente stimolate, movimenti nanometrici.
    Chimica supramolecolare - Wikipedia
    Un esempio in questo campo è il cosiddetto "ascensore molecolare", ossia un sistema supramolecolare in cui, variando il pH della soluzione, è possibile far spostare la "piattaforma" molecolare verso il basso o verso l'alto, a distanze nanometriche.
    L'Alambicco n°5 - Maggio 2011
    In ambito più specificamente teorico, le nanotecnologie hanno permesso lo studio di nuovi "scenari", in cui la materia si comporta in modo strano.
    Si è notato, ad esempio, che il comportamento della materia in due dimensioni è nettamente diverso da quello in tre dimensioni: elettroni che vengono "confinati" su di un piano e sottoposti a campi magnetici si muovono in maniera assolutamente coordinata, come se "danzassero" all'unisono.
    I fisici della materia condensata, in particolare Landau, hanno dato un nome a queste particelle interagenti, le hanno chiamate quasi-particelle (con una carica che è un terzo della carica elementare): l'elettrone, che si trova nello stato "entangled" (sull'entanglement scriverò un apposito articolo), è una quasi-particella.
    Orbitone, una nuova "quasi-particella" - Le Scienze
    Per concludere questa breve introduzione, possiamo senz'altro affermare che le nanoscienze costituiscono il punto in cui la ricerca pura, la fisica, la chimica e la biologia, e la ricerca industriale, nel campo della scienza dei materiali, della medicina, dell'energetica e così via, convergono.
    Lo sviluppo delle conoscenze nell'ambito delle nanoscienze e delle nanotecnologie è inevitabilmente legato all'integrazione di diverse competenze in diversi settori del sapere scientifico e tecnologico.
    Buona lettura


    P.S. Da un punto di vista strettamente teorico, le tecnologie alla nanoscala riguardano processi basati sul "confinamento" quantistico, governato dal principio di indeterminazione di Heisenberg: all'interno di un sistema materiale composto di circa 1000 atomi si verificano fenomeni di confinamento quantico.
    A quella scala, da qualche nanometro fino ad arrivare alle dimensioni del singolo atomo (0.1nm), le proprietà del sistema dipendono fortemente dalle dimensioni.
    Una particella, ad esempio, può diventare trasparente, senza alterare la composizione chimica ma agendo soltanto sulle dimensioni. Non è un argomento di facile comprensione per chi non ha familiarità con la fisica quantistica ma ne riparleremo
    http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&u act=8&ved=0CDUQFjAD&url=http://fds.mate.polimi.it/file/1/File/12SCUOLAPOLITECNICO/libassi.pdf&ei=OvVmVc7EBoussAGXy4CgBQ&usg=AFQjCNF5 Zgl_eyuU375Utemaubw63u2Oeg&sig2=SR5ihSHqbpNom-gGRikQhQ
    (breve introduzione alle nanotecnologie)


  2. #2
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    Vorrei svolgere alcune importanti considerazioni sulle nanotecnologie: ritengo che il settore della nanomedicina sia uno tra i più "fecondi" nell'ambito delle applicazioni nanotecnologiche ma è necessario, prima di prevedere l'utilizzo "in massa" delle nanoparticelle e dei nanomateriali in campo clinico, comprendere a fondo le interazioni, inevitabilmente complesse dato che dipendono anche dalle piccole dimensioni di queste sostanze, dei nanosistemi con i tessuti biologici e con l'ambiente.
    Certo, è vero anche che, nel passaggio dalla teoria alla produzione di un prototipo funzionante, il passo è spesso molto lungo: mi viene in mente l'esempio del "diodo molecolare", che venne ideato negli anni Cinquanta e il cui prototipo è stato costruito solo negli anni Novanta.
    http://www.galileonet.it/2015/05/un-diodo-...ngola-molecola/
    Attualmente la ricerca è orientata su una metodologia che usa un approccio "bottom-up" (non è mia intenzione discutere, al momento, dei "fullereni" e dei "nanotubi"), che consiste nella realizzazione di strutture nanometriche assemblando chimicamente componenti a dimensioni nanometriche.
    Si intuisce allora quanto, in questo caso, sia importante lo studio della Natura per comprenderne i diversi gradi di organizzazione, dal più semplice, come le basi del DNA o le catene di amminoacidi, al più complesso, come quello cellulare.
    D'altronde, alla nanoscala le leggi della fisica quantistica diventano predominanti e ciò mi porta naturalmente a parlare di un settore che, a mio giudizio, rappresenta uno dei campi di maggior sviluppo, attuale e futuro, delle applicazioni nanotecnologiche: quello della computazione quantistica. Il qubit, l'unità base dell'informazione, può trovarsi, come è noto, in una "sovrapposizione" dello stato 0 e dello stato 1.
    Usando i qubit è possibile risolvere alcuni problemi, come ad esempio la fattorizzazione di un numero primo, importante in crittografia, in modo molto più rapido rispetto ai tradizionali computer elettronici.
    Il rovescio della medaglia è che il sistema, interagendo con l'ambiente circostante, fa perdere ai qubit il loro comportamento, che è "intrinsecamente" quantistico. Si tratta di un problema molto complesso e molti studiosi ritengono che la soluzione potrebbe provenire proprio dai nanomateriali.
    Buona lettura

    P.S. Feynman ha mostrato grande intuito nel concepire l'impostazione top-down (cioè partire da sistemi macroscopici e arrivare alla realizzazione di strutture nanometriche), attualmente la metodologia più consolidata, che ha portato a risultati "fecondi", come ad es. la costruzione di testine per dischi rigidi, basata sul fenomeno della "magnetoresistenza gigante" (Premio Nobel per la Fisica a Fert e Grunberg nel 2007), ma conveniamo tutti, credo, che egli non abbia ricoperto un ruolo di primo piano nello sviluppo delle nanoscienze.
    http://www.ilsussidiario.net/News/emmeciqu...-FISICA/215873/
    Per ciò che riguarda la manipolazione dei singoli atomi, essa è stata resa possibile dall'invenzione del microscopio a scansione ad effetto tunnel (Premio Nobel per la Fisica a Binnig e a Rohrer nel 1986), strumento largamente utilizzato nella fisica delle superfici, mentre il microscopio a forza atomica (AFM) è per lo più usato in biologia e topografia.
    Archived web site
    Infine ritengo che il panorama che le nanoscienze e le nanotecnologie hanno aperto sia, in prospettiva futura, immenso e non è difficile prevedere che, entro questo secolo, ci saranno sviluppi rilevanti sia nell'ambito della conoscenza scientifica "pura" sia sotto il profilo tecnologico, che "pervaderà" tutti i settori produttivi, a partire dalla medicina e dall'elettronica fino ad arrivare all'ingegneria energetica e ambientale. E' necessario, però, un approccio "interdisciplinare" alla conoscenza delle nanoscienze, che coinvolga competenze di fisica e chimica di base, scienza dei materiali, elettronica e così via.
    Pertanto suggerisco, a chi desiderasse lavorare nel campo delle nanoscienze e delle nanotecnologie, di seguire un corso di laurea scientifico, in modo da acquisire una formazione di base solida in uno specifico settore, e poi specializzarsi, magari a partire già dalla scelta della tesi di laurea, nel campo delle nanoscienze.
    In seguito sarà possibile frequentare uno specifico dottorato di ricerca presso un centro di ricerca, sia in Italia che all'estero.

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