Nanotecnologie, verso una Biblioteca di Babele tascabile

Biossido di Titanio nanostrutturato

La nanotecnologia ha come fine il controllo e la manipolazione consapevole della materia sulla scala nanometrica, per arrivare allo sfruttamento delle proprietà e dei fenomeni fisici e chimici che si manifestano su tale scala.


Per capire meglio questa definizione è utile un paragone con la vita quotidiana di ciascuno di noi: la scala di grandezza tipica della realtà che sperimentiamo solitamente, infatti, va in linea di massima dal millimetro al chilometro. Questi confini sono determinati dalle nostre dimensioni e l'unità di misura più pratica per la nostra esperienza (dimensioni) è appunto il metro. Per indicare un multiplo o un sottomultiplo del metro anteponiamo un prefisso: kilometro significa mille metri, millimetro la millesima parte del metro. Il prefisso nano, invece, indica un miliardesimo: un nanometro è un miliardesimo di metro. La cruna di un ago è grande un milione di nanometri, un globulo rosso misura circa mille nanometri, un frammento di DNA è lungo pochi nanometri (e contiene tutte le informazioni necessarie allo sviluppo di un intero organismo vivente), infine un atomo ha dimensioni di circa un decimo di nanometro: un oggetto sferico di qualche nanometro di diametro è quindi formato da poche migliaia di atomi.

La cruna di un ago è grande un milione di nanometri, un globulo rosso misura circa mille nanometri, un frammento di DNA è lungo pochi nanometri


Punti di vista

La realtà - metrica o nanometrica che sia - è dunque sempre la stessa, tuttavia la prospettiva di un osservatore nanometrico è radicalmente diversa rispetto a un normale osservatore. Ad esempio forze che per esseri delle dimensioni di un paio di metri sono irrilevanti, come la viscosità dell'acqua o le forze di adesione tra due superfici, diventano di straordinaria importanza. Gli oggetti nanometrici sono continuamente sballottati dall'agitazione termica del mezzo che li circonda (moto browniano), l'adesione su una superficie è altissima: le caratteristiche salienti dell'universo fisico percepito sono quindi radicalmente differenti e dipendono dalla scala dell'osservatore. Un virus percepisce l'universo e quindi vi si adatta (per adattamento si intenda il modo di muoversi, nutrirsi, riprodursi, scambiare informazioni) molto diversamente da noi non necessariamente perché è "meno complesso" ma semplicemente perché è molto più piccolo. Ciò cosa comporta? Su scala nanometrica è determinante di quanti atomi sono fatti gli oggetti e questo numero ne influenza totalmente la natura ed il comportamento. Al crescere delle dimensioni la memoria viene "persa", come ad esempio al crescere della folla la presenza o l'assenza di un determinato individuo diventa insignificante nel determinare il comportamento collettivo. Nelle nanotecnologie, invece, il numero di atomi è un parametro critico e quindi, variandolo, si possono aggirare i vincoli della tavola periodica degli elementi per creare oggetti con comportamenti diversi pur essendo chimicamente identici.


Le origini

Il termine nanotecnologia fu coniato nel 1974 da Norio Taniguchi dell'Università di Tokio, anche se la nascita del concetto di nanotecnologia è fatta comunemente risalire all'intuizione del fisico Richard Feynman che in una ormai celebre conferenza tenuta nel dicembre 1959 al California Institute of Technology, preconizzò la possibilità di controllare la materia e realizzare dispositivi su scala nanometrica. In quella conferenza, dove fu enunciato il motto programmatico "There's plenty of room at the bottom" (c'è un sacco di posto giù in fondo), Feynman osservò che "i principi della fisica non sono in contraddizione con la possibilità di manipolare e costruire oggetti atomo per atomo".


Le applicazioni moderne

Oggi grazie alle nanotecnologie calcolatori di potenza inimmaginabile solo due decenni fa ora esistono e occupano poco più che lo spazio di un'agenda, mentre il volume di un orologio da polso può contenere l'equivalente di mille CD-ROM. La miniaturizzazione estrema ottenibile tramite un approccio nanotecnologico solleva tuttavia molti problemi non riscontrabili a livello macroscopico quali, ad esempio, la "coalescenza" delle nanoparticelle favorita dall'agitazione termica: due nanoparticelle poste a contatto fra loro possono unirsi a formare un'unica particella (un po' come due gocce d'acqua quando si toccano) perdendo così memoria del loro stato iniziale e quindi cancellando l'informazione in esso contenuta. Un sistema costruito con particelle nanometriche avrà proprietà diverse da un analogo sistema costruito con atomi solo se le nanoparticelle matengono, in tutto o in parte, la loro individualità all'interno del sistema senza coalescere a formare agglomerati più grandi. Il sistema ricorderà quindi come è stato fatto e da quali componenti.


Carbonio nanostrutturato

La "nano-memoria"

Questa particolare "memoria" è una peculiarità dei sistemi nanostrutturati che sembrano dotati di una specie di codice genetico che ne determina l'evoluzione a partire dai componenti primitivi. Si noti come in questo caso la nanostruttura non sia un espediente per aumentare la capacità di immagazzinamento di dati di un supporto fisico di memoria bensì costituisca la natura stessa dell'informazione immagazzinata in virtù della propria (auto)organizzazione. Il paradigma dei sistemi nanostrutturati sembra essere simile a quello di un sistema biologico in cui le singole parti concorrono a funzioni complesse e non riconducibile alla mera somma dei componenti. Benché ciò non possa essere considerato una base su cui costruire una mitologia dei nanorobot autoreplicanti che come termiti tecnologiche finiscono per scalzare il genere umano e fare del pianeta un termitaio nantecnologico, tuttavia le categorie naturale/artificiale non sono più agevolmente applicabili.

L'influenza che le dimensioni hanno sulle proprietà costringono ad una revisione di queste categorie e conferiscono al materiale nanostrutturato una memoria dei processi che hanno portato alla sua formazione del tutto inusuale. Anche nei materiali tradizionali è possibile riscontrare una memoria della storia passata: il processo di tempra ne è un esempio, tuttavia questa memoria è un repertorio delle vicissitudini del materiale che non ne influenza l'evoluzione successiva. Un materiale nanostrutturato è fatto di grani nanometrici: scaldando il materiale i grani si modificano e in generale aumentano le loro dimensioni, tuttavia il meccanismo di crescita e di organizzazione dipende dalle loro dimensioni originali. Questo implica che il materiale nel suo complesso evolverà verso una struttura che è determinata dalla distribuzione delle dimensioni originali dei grani: il materiale conserva la memoria delle sue origini. Si tratta di una memoria diversa da quella dei supporti di memoria informatici dove ogni parcella di informazione è legata ad una posizione precisa e può essere cancellata e modificata, in questo caso l'informazione è distribuita su caratteristiche che riguardano il sistema nel suo complesso, non può essere modificata una volta che il sistema è evoluto e dipende dalle caratteristiche iniziali delle nanoparticelle e dalle loro successive interazioni tra loro e con l'ambiente esterno, si tratta insomma di una sorta di fenotipo.


Verso una Biblioteca di Babele "tascabile"

Poiché l'informazione è immagazzinata nella complessità con cui un sistema si organizza, i materiali nanostrutturati offrono nuove sfaccettature alla formulazione del concetto di memoria non rappresentando più semplicemente un substrato su cui immagazzinare l'informazione (le pagine di un libro). I loro componenti primari (nanoparticelle) contengono già una certa quantità di informazione che può essere combinata mediante l'organizzazione di sistemi complessi (lettere dell'alfabeto si combinano a formare parole). A prima vista la tavola periodica degli elementi è già un alfabeto che contiene tutte le combinazioni possibili, tuttavia la maggior parte di esse è vietata dalle leggi che regolano il formarsi dei legami chimici e quindi solo determinate combinazioni (materiali) sono effettivamente realizzabili. Poiché l'interazione tra nanoparticelle è molto più duttile, tra di esse tutte le combinazioni sono virtualmente possibili e ciò potrebbe costituire una buona base per la realizzazione di una Biblioteca di Babele di dimensioni alquanto ridotte.


Paolo Milani

Centro Interdisciplinare Materiali e Interfacce Nanostrutturati, Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano e Fondazione Filarete
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