Università Popolare Molfettese Anno accademico 2006-2007 N a n o t e c n o l o g i e Giuseppe Masciopinto

Uno sguardo al passato La comprensione ed il controllo delle proprietà dei materiali hanno condizionato la vita dell’uomo fin dall’apparire delle antiche civiltà.

La capacità dell’uomo di scoprire, inventare ed utilizzare nuovi materiali o di migliorare le proprietà dei materiali noti ha generato profondi cambiamenti in tutti i settori della vita civile. L’evoluzione tecnologica che ne è conseguita ha modificato, fra luci e ombre, i rapporti economici, sociali e politici, influenzando perfino i valori etici e morali.

La tecnologia 10.000 anni fa

La tecnologia IV secolo a.C.

La tecnologia il giorno prima dell’altro ieri Una macchina da stampa, ca. 1700

La tecnologia Un microscopio, 1776

La tecnologia l’altro ieri Locomotiva a vapore, 1881

La tecnologia Motore a scoppio, 1890

La tecnologia Lavatrice “manuale”, 1885

La tecnologia Macchina da proiezione Lumiere, 1898

La tecnologia Automobile Bugatti, 1910

La tecnologia Fonografo di Edison, 1901-1910

La tecnologia Aereo militare, 1917

La tecnologia Camera reflex, 1937

1946- ENIAC: il primo computer, 30 tonnellate, 17000 valvole La tecnologia ..ieri 1946- ENIAC: il primo computer, 30 tonnellate, 17000 valvole

...dagli anni ’50 in poi: la miniaturizzazione Si è andati sempre più di corsa: passando dal piccolo dell’elettrotecnica al sempre più piccolo dell’elettronica: gli anni settanta, gli anni del “piccolo è bello”, sono caratterizzati dal prefisso della nuova modernità: micro................... negli anni novanta si è passati dal “piccolo è bello al più piccolo è meglio”

Le microtecnologie 1950 -2000 L’era del Silicio: Dalla VALVOLA TERMOIONICA al TRANSISTOR ai CIRCUITI INTEGRATI Nascono la MICROELETTRONICA e l’era del COMPUTER Il primo transistor ha visto la luce nel 1947

? Piccolo è bello 8 bit = 1 byte 1024 byte =1 Kbyte 1 Milione di byte= 1 Mbyte 1Miliardo di byte=1 Gbyte Scheda perforata, 100 byte, 4 gr 1.44 Mbyte ? 650 Mbyte 10 Gbyte 20 TIR da 20 tonnellate!

...più piccolo è meglio

Ci sono però dei limiti alla miniaturizzazione oltre i quali non conviene andare. L’eccessiva miniaturizzazione ha invertito l’andamento dei costi di produzione. La miniaturizzazione, spinta a livello molecolare, ha modificato le caratteristiche chimico-fisiche dei materiali che sono diventate quelle tipiche delle nanodimensioni.

Richard Feynman: il Padre delle Nanotecnologie (Premio Nobel per la Fisica nel 1965) ..il 29 dicembre 1959 tenne un famoso discorso "Ciò di cui voglio parlare è il problema di manipolare e controllare le cose su una piccola scala. Appena accenno a questo, la gente mi parla della miniaturizzazione e di quanti progressi si siano fatti fino a oggi. Mi parlano di motori elettrici grandi quanto l’unghia del vostro mignolo[..]. Ma questo è niente; è il passo più primitivo nella direzione che intendo discutere[..]. Quando nel 2000 la gente si guarderà indietro, si chiederà perché si sia arrivati al 1960 prima di muoversi seriamente in questa direzione.

Richard Feynman: il Padre delle Nanotecnologie (Premio Nobel per la Fisica nel 1965) ..il 29 dicembre 1959 tenne un famoso discorso “. . .Ma non mi spaventa affrontare anche la questione finale, cioè se - in un lontano futuro - potremo sistemare gli atomi nel modo in cui vogliamo; proprio i singoli atomi, al fondo della scala! […] Per quanto ne so, i principi della fisica non impediscono di manipolare le cose atomo per atomo. Non è un tentativo di violare alcuna legge; è qualcosa che in principio può essere fatto, ma in pratica non è successo perché siamo troppo grandi“.

..sempre Feynman il giorno del Nobel “Pensiamo alla punta di uno spillo, uno spazio abbastanza ristretto, eppure, entrando nel mondo delle nanotecnologie, scopriremo che anche in un luogo così esiguo, c’è abbastanza spazio per scrivere nientemeno che tutti i ventiquattro volumi dell’Enciclopedia Britannica”

Un nanometro è la miliardesima parte del metro!!! Ma cos’è un nanometro??? Un nanometro è la miliardesima parte del metro!!! Per fare un esempio: è come confrontare un millimetro con la distanza tra Milano e Taranto!!!

Dimensioni di qualche sistema Distanza Terra Luna 400.000.000 metri Raggio della Terra 6.350.000 metri 1:200 milioni 1:100 milioni Uomo: 2 metri 1:100 Milioni Mela: 0,06 metri Virus Influenza 2 milionesimi metro Elemento circuitale di un chip: 0.2 milionesimi metro Circuiti con DNA: 20 miliardesimi di metro

Sezione di filamento di DNA=2.5 nm Raggio=6.350.000 m Diametro=0.06 m Sezione di filamento di DNA=2.5 nm ‘There is plenty of room at the bottom’ Richard Feynman, 1959

La collana di Democrito Abdera (460-360 a.C.)

Alcune dimensioni

controllare la materia atomo per atomo Nanoscienze controllare la materia atomo per atomo Mettendoli uno alla volta al posto voluto Sfruttandone la tendenza ad ordinarsi spontaneamente

Oggi siamo in grado di vedere e manipolare i singoli atomi Barriera corallina quantica Il logo dell’IBM ottenuto con 35 atomi di Xenon Panorama di una Superficie di rame

La microscopia STM

Nanotecnologie naturali Fine ultimo delle Nanotecnologie è quello di fare artificialmente ciò che la natura fa da sempre, e cioè combinare tra loro molecole o piccoli aggregati di molecole per costruire un dispositivo, un congegno in grado di eseguire azioni più o meno complesse.

Madre Natura: il primo nanotecnologo in assoluto La doppia elica della vita Frammento di DNA

La strategia del geco. Curioso esempio di bionanotecnologia è il meccanismo delle zampette del geco: si attaccano dovunque in quanto presentano dei peli di dimensioni nanometriche.

La zampa del geco E’ ricoperta di sottilissime setole (setae) grandi circa 100 milionesimi di metro, ognuna delle quali termina con una serie di 1000 cuscinetti (spatulae) il cui diametro è di qualche nanometro setae spatulae

Le ali della farfalla Se tocchiamo le ali di una farfalla Morpho, sulle nostre dita rimane una polverina colorata; ingrandendo quest’ultima fino a livello nanometrico notiamo che è formata da una serie di strutture simili ad alberelli di Natale

Il fiore di loto Le foglie e i petali hanno la proprietà di autopulirsi. Dotate di elevata idrorepellenza, esse riescono a mantenersi pulite e asciutte grazie alla microruvidità a livello nanometrico della foglia che non consente alle particelle solide di depositarsi mentre consentono alla goccia di scivolar via velocemente portandole con sé.

Il primo esempio di nanotecnologie: La Coppa di Licurgo (IV sec. d.C.) Fabbricata dai romani addizionando polvere d’oro al vetro. Fu ottenuto così il vetro dicroico, un materiale che cambia colore a seconda che la luce venga trasmessa attraverso la sua superficie o riflessa dalla stessa.

Altro esempio di nanotecnologie Nel XIII secolo i maestri vetrai tedeschi che lavoravano alla realizzazione delle cattedrali gotiche ottenevano le splendide vetrate colorate disperdendo nel vetro piccole quantità di oro.

Bottom Up o Top Down??? Due sono le strade seguite per operare a livello nanometrici. “top down”: ridurre con metodi fisici le dimensioni delle strutture più piccole verso livelli nano. “bottom up”: partire da piccoli componenti, normalmente molecole, per realizzare nanostrutture sia di tipo inorganico che organico/biologico. È la strada che porterà a maggiori risultati.

1985-La scoperta del Fullerene Il C60 è costituito da 12 pentagoni e 20 esagoni, con ciascun pentagono circondato da cinque esagoni. E’ composto da 60 atomi di Carbonio ed ha la stessa geometria di un pallone da calcio. Il diametro è di circa 10 nanometri

1991-I nanotubi di Carbonio I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni. Si ottengono unendo esagoni di carbonio arrotolati come una sorta di tappeto e chiuso alle due estremità da mezza molecola di fullerene. Dotati di caratteristiche eccezionali stanno trovando impiego come incapsulanti di principi chimici fortemente citotossici nella cura di tumori polmonari. Sono destinati a emulare, nella realtà, il sommergibile fantascientifico del “Viaggio allucinante”

A cosa servono i nanotubi? Nanocircuito (IBM) Proprietà Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli) Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaio Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del rame Stabilità: resistono fino a 2800°C Future applicazioni Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte più piccoli di quelli attuali Sonde chimiche: per scansionare le molecole Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani Nanopinze: per afferrare le molecole Nanobilance: per pesare gli atomi Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno

APPLICAZIONI delle NANOTECNOLOGIE

Settori di applicazione: Tessile Dei materiali Sanitario e Chirurgico Sicurezza Cosmetico Elettrico Artistico Informatico Energetico

SETTORE TESSILE Tessuti senza pieghe, senza macchie, impermeabili, traspiranti Questi tessuti sfruttano l’effetto loto naturale delle piante che si basa sulle forze di coesione tra le particelle: su superfici liscie, le particelle contaminanti sono solo spostate dal movimento delle goccioline d’acqua. su superfici rugose, invece, esse aderiscono alle goccioline d’acqua e rotolano via, lasciando la foglia pulita

SETTORE DEI MATERIALI Solette per riscaldare i piedi costituite dal 90% di aria: Solette basate di aero gel, gel la cui massa è composta da 90% di aria ad altissimo potere isolante. Proteggono i piedi dal bagnato, dal sudore e dal freddo isolandoli dall’ambiente esterno.

SETTORE DEI MATERIALI Marmitte catalitiche nanostrutturate per convertire i prodotti di combustione delle benzine in sostanze atossiche. Nuove generazioni di pneumatici contenenti nanoparticelle in grado di fornire una maggiore resistenza all’usura insieme a migliori prestazioni, in termini di tenuta di strada, sia in condizioni normali che sul bagnato o sulla neve.

SETTORE SANITARIO Cerotti protettivi: Utilizzando le note proprietà antibatteriche dell’argento, sono in commercio garze contenenti nano-particelle di tale metallo per curare le ferite provocate da ustioni in modo migliore rispetto ai cerotti tradizionali.

SETTORE DELLA SICUREZZA Filando nanotubi si ottengono fibre per tessuti più tenaci del filo della tela del ragno e servono per fabbricare: Corde e imbragature di sicurezza Coperte anti-esplosione per le aree cargo degli aerei Giubbotti e schermi anti-proiettile

SETTORE DEI COSMETICI Creme per protezione solare: Per avere protezione completa dalla radiazione solare, si usano creme contenenti ossido di zinco nanostrutturato(una sostanza di colore bianco). Usando nanoparticelle, di dimensione 30-60 nm, è stata creata una formulazione che blocca tutti i raggi UV, ma è completamente trasparente alla luce visibile.

SETTORE ELETTRICO Nanofotonica per la luce L’ azienda Osram, utilizzando dei nanocristalli produce led a basso consumo energetico. Nanoparticelle di metalli (oro e argento…) servono per costituire i colori

SETTORE DELLA SICUREZZA NANO ALIENI: fibre di circa 150 nanometri di diametro con particolari proprietà elettriche, ottiche e magnetiche. Usi: passaporti e banconote difficilmente falsificabili. “impronte digitali” negli Indumenti. - codici a barre molecolari.

SETTORE CHIRURGICO Un nano ago di 8 micron x 200 nanometri può operare su singole cellule senza danneggiarne la membrana. -Si può operare selettivamente su specifiche regioni della cellula. -Si possono monitorare reazioni chimiche intracellulari in tempo reale.

SETTORE CHIRURGICO Nanoparticelle di Solfuro di Cadmio (quantum dots): quando iniettate si infiltrano nelle cellule cancerose, rendendole visibili al chirurgo che dovrà rimuoverle

SETTORE ENERGETICO nuove celle a combustibile garantiscono un efficiente immagazzinamento di idrogeno. motori molecolari che consumano pochissima energia -celle fotovoltaiche a basso costo (vernici solari) Un buon risparmio energetico !

SETTORE INFORMATICO Nano schermi: monitor di grandi dimensioni ma totalmente esenti dal fastidioso “effetto ombra”. -Costi inferiori e una definizione altissima. -Bassissimi tempi di risposta.

SETTORE DELLE ARTI La pulitura è l’operazione più delicata e rischiosa alla quale può essere sottoposta un’opera d’arte perché è l’unica operazione assolutamente irreversibile… Metodi di pulitura: - Mezzi meccanici - Detergenti - Agenti biologici

Presentata pochi giorni fa, la nuova FERRARI è un concentrato di nanotecnologie: Freni in nanotubi di carbonio Iniezione elettronica digitale Scocca in materiale ultraleggero ottenuto utilizzando nanotubi di carbonio Pneumatici in mescola speciale e tanto altro....... La Nuova Rossa F2007

Il FUTURO Ci si appresta a lanciare entro il 2015 un nano-processore per PC (con grandezza pari a 22 nanometri contro i 44/65 nanometri attuali). Queste dimensioni consentiranno di contenere oltre 400 milioni di transistor in un chip capace di girare ad una frequenza di 10 gigahertz.

Nel prossimo futuro le nanotecnologie porteranno certamente cambiamenti nella nostra vita quotidiana. La speranza è che gli addetti ai lavori, ma anche le persone “normali”, abbiano la capacità di riuscire a comprendere le potenzialità di questa nuova scienza che può comportare rischi se usata in modo indiscriminato. Un utilizzo consapevole porterà sicuramente benefici per tutti gli esseri viventi che popolano il nostro pianeta.

A conclusione del mio lavoro Vi propongo le foto seguenti . La storia che le accompagna, realizzata grazie alle nuove tecnologie, è un bellissimo inno alla vita

La foto è di un bimbo di 21 s e t t i m a n e, Samuel Arnas, a cui fu diagnosticata la spina bífida, una malformazione che non lascia speranza di sopravvivenza, a meno di ricorrere a un intervento intrauterino. Il Dr. Bruner, dopo numerose ricerche effettuate nel Centro Medico Universitario di Vanderbilt, a Nashville, nel Tennessee, annunció che avrebbe potuto compiere tale intervento, con il bimbo ancora nell’utero materno.

Durante l’intervento il chirurgo fece un normale taglio cesareo, estrasse l’utero e vi praticò una piccola incisione attraverso la quale operare il piccolo Samuel. Il Dr. Bruner stava completando l’intervento, che era andato bene, quando Samuel, attraverso il taglio praticato, sporse la sua piccolissima manina e si attaccò al dito del medico stupefatto.

Il New York Times intitolò la foto “Hand of Hope” (Mano della speranza)

Il prestigioso chirurgo disse di aver vissuto il momento più emozionante della sua vita, quando la manina di Samuel prese il suo dito quasi per ringraziarlo del dono della vita che gli aveva fatto. Egli rimase impietrito per vari secondi, durante i quali Samuel continuava a tenergli il dito, dando così la possibilità all’équipe di scattare le fotografie.

La madre di Samuel dichiarò di aver pianto per alcuni giorni dopo aver visto le incredibili foto.

Ecco qua Samuel .. Vive una vita normale al 100% Samuel, mesi dopo...

.. Non Vi pare che sia il caso di dire con Alice............... Viva le Nanotecnologie?