Le Nanotecnologie: la nuova frontiera della Scienza dei Materiali Corsi di Studio in Scienza e Tecnologia dei Materiali http://stm.unipr.it Le Nanotecnologie: la nuova frontiera della Scienza dei Materiali Luciano TARRICONE (Dipartimento di Fisica - Università di Parma) Massimo LONGO (INFM - Dipartimento di Fisica - Università di Parma)

I materiali naturali hanno segnato la storia dell’umanità, condizionandone il progresso economico e sociale. La crescente domanda di nuovi materiali conferma un ruolo essenziale della Scienza dei Materiali per l’innovazione e la competitività. Lo sviluppo di nuovi materiali richiede necessariamente un approccio interdisciplinare, con ruolo fondante della FISICA e della CHIMICA, un contributo degli strumenti MATEMATCO-INFORMATICI e un rapporto sinergico con le discipline TECNOLOGICHE e INGEGNERISTICHE. La profonda conoscenza delle proprietà fondamentali, fino alla scala atomica o molecolare, permette di progettare “materiali artificiali” con proprietà ad hoc.

Alcuni esempi: i Materiali Semiconduttori

I Materiali Superconduttori e a Memoria di Forma

I Materiali Organici e Polimerici

La Scienza e La Tecnologia dei Nuovi Materiali Nuovi Materiali-Innovazione-Competitività-Crescita Economica I Materiali Innovativi (elettronici, magnetici. ottici, biocompatibili, per usi energetici, catalitici ambientali, ecc.) contribuiscono a formare il 30-40% del PIL di di un paese ad economia avanzata.

Materiali ed Evoluzione 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.

L’INTRODUZIONE di NUOVI MATERIALI dalla PREISTORIA ad OGGI ETA’ della PIETRA 9000 a.c. Fibre Vegetali 7000-6000 a.c. Mattoni di fango essiccati – Terracotta 5000-3000 a.c. Canapa - Smalti Vetrosi 2500 a.c. Seta ETA’ del BRONZO 2000 a.c. Fusione del Vetro 1500-500 a.c. Ceramica - Mattoni smaltati

ETA’ del FERRO 0 Carta 100 d.c. Rivestimenti in Piombo 600-1700 Porcellana Cinese – Porcellana di Meissen 1800 Gomma/Acciaio/Cemento/Celluloide 1900 Seta artificiale/ Gomma sintetica/Bakelite ETA’ del SILICIO 1950 Semiconduttori Materie Plastiche/Fibre sintetiche (Nylon) Superconduttori (alta Tc), Leghe Metalliche, Cristalli Liquidi 2000 Nanotecnologie Semiconduttori Nanostrutturati (Atomi artificiali) Elettronica Molecolare

Il ruolo determinante della Ricerca Solide conoscenze dei fenomeni con metodo scientifico Ruolo fondante della Fisica e della Chimica Sviluppo di materiali, tecnologie e processi RICERCA SCOPERTA UTILIZZAZIONE MIGLIORAMENTO INGEGNERIZZAZIONE MEDICINA, SPORT, AMBIENTE, ELETTRONICA, INFORMATICA, TRASPORTI, COMUNICAZIONI, ECC. Applicazioni

Università Industria Tecnica Scienza La SCIENZA dei MATERIALI Era GRECO-ROMANA Epistème: Conoscenza-Vverità Tèchne: Produzione-Utilità MEDIOEVO: Disprezzo per la Scienza (distrazione per la cura della salvezza dell’anima) RINASCIMENTO: Arti Meccaniche (Utilità) Arti Liberali (Bellezza) 1600 RIVOLUZIONE SCIENTIFICA (Galileo, Cartesio, Newton) 1700-1800 RIVOLUZIONE INDUSTRIALE La SCIENZA dei MATERIALI Tecnica Scienza

La Rivoluzione Elettronica 1950-2000 L’Era del Silicio: Dalla VALVOLA TERMOIONICA al TRANSISTOR ai CIRCUITI INTEGRATI Nascono la MICROELETTRONICA e l’era del COMPUTER Il Monte Cervino: quanto Silicio è contenuto nella roccia di una sola montagna! Gli elementi più abbondanti della crosta terrestre: il silicio è 4 volte più diffuso dell’alluminio e 10 volte più del ferro.

Le Tecnologie dell’Informazione: dal regolo calcolatore al computer 1643 Pascalina 1853 Calcolatrice Meccanica Scheutz 1946- ENIAC: il primo computer 30 tonnellate 17000 valvole

? 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!

La Fotonica: dai cavi elettrici alle fibre ottiche Possibilità di generazione, rivelazione, elaborazione di segnali ottici per comunicazioni Multiplex per la gestione di differenti input/output ottici Telefono, radio e TV: grandezze elettriche variabili nel tempo (segnali analogici). Nuova era delle comunicazioni ottiche: il LASER (1958). Elettronica dello stato solido + Tecnologia delle fibre ottiche: sistemi di trasmissione in cui ad impulsi di luce è associata la logica binaria (segnali digitali).

SEMPRE PIU’ PICCOLO: dal Transistor di SBB alla VLSI Il primo transistor (1947) Bardeen, Brattain, Shockley

“1975 - Il numero di transistor (e quindi la potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi” Lo “SCALING-DOWN” limitato da problemi di natura fisica tecnologica Oltre la legge di Moore?

Produzione dei nanotransistor Intel Miniaturizzazione molto costosa sotto i 50 nm Silicio poco adatto ad “elettronica veloce” (TeraHz) Silicio limitato nei dispositivi fotonici Necessario un salto di qualità scientifico e tecnologico: verso i nano computer? Le industrie investono sulla rivoluzione delle nanotecnologie, segnando l’ingresso in un mondo nuovo

Richard Feynman: il Padre della Nanotecnologia Il 29 dicembre 1959 Feynman tenne un famoso discorso: "Ciò di cui voglio parlare è il problema di manipolare e controllare le cose su una piccola scala. […] 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“.

L’avvento delle NANOTECNOLOGIE 35 atomi di xenon L’avvento delle NANOTECNOLOGIE 1959 R. Feyman prevede la nascita della nanotecnologia 1974 Primo dispositivo elettronico molecolare brevettato (IBM) 1985 Scoperta dei fullereni 1986 Invenzione del microscopia ad effetto tunnel (IBM-Zurigo) 1988 La Dupont progetta la prima proteina artificiale 1989 D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon 1991 S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio 1993 Nasce alla Rice University (USA) il primo laboratorio di Nanotecnologie 2001 IBM e Università di Delft (NL) creano il primo circuito logico a base di nanotubi 2002 Cornell University (NY) realizza il primo nanomotore 2003 USA stanziano 3.7 MLD di $ in 4 anni per la ricerca

Nanotecnologie 1 nm = 1 miliardesimo di metro Aree della Scienza e della tecnologia relative a MATERIALI e STRUTTURE con dimensioni fino a 100 nanometri Quantum Corral (Atomi di Fe su Cu)

Con nanoparticelle inserite in un altro materiale si ottengono nuove proprietà elettroniche, ottiche, meccaniche, termiche, ecc. Punti quantici Cristalli Fotonici Nanoceramiche in polimeri Aerogel

Nanotubi di carbonio Nanotubi di carbonio Molecola di Fullerene (C60) I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni che consistono di cilindri di grafene. Furono scoperti nel 1991 da S. Iijima quasi per caso, durante la sintesi di fullereni per evaporazione ad arco.

A cosa serviranno 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 Costi: 150 volte più dell’oro 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

Un transistor 20 mila volte più sottile di un capello: le sfide della nanoelettronica MOLECOLA NANOTRANSISTOR NEC: 5 nm (18 volte più piccolo di quelli ora in produzione) ORO ORO SiO2 Piridina + Co + S Nel 2001 si credeva che si sarebbe scesi sotto i 9 nm solo nel 2016! 1 cm2 di silicio potrà ospitare 40 miliardi di nanotransistor, 150 volte più del numero attuale. Un cellulare avrà 60 ore di autonomia.

DNA Computer Le molecole di DNA hanno enormi potenzialità di calcolo. Il DNA potrebbe un giorno essere integrato in un chip per realizzare un velocissimo “biochip” da inserire in un nanocomputer. L. Adleman (University of Southern California) nel 1994 propose di usare il DNA per risolvere il problema del “venditore ambulante”.

Adleman riuscì ad isolare le molecole associate solo ai percorsi più brevi che connettevano le città del venditore, ma ci volevano molti giorni per la risposta e l’intervento dell’uomo… 1997 - Porte logiche di DNA (Univ. di Rochester): convertono codici binari in una serie di segnali che il computer usa per eseguire operazioni. Le porte rivelano frammenti di input di materiali genetici, combinano questi frammenti e formano un singolo output. Più di 10 mila miliardi di molecole di DNA possono essere accomodate in 1 cm3 di spazio, con le quali si potranno gestire miliardi di byte e fare 1012 calcoli al secondo, in modalità di calcolo parallelo.

Spintronica e Computer Quantistico Oltre alle proprietà elettriche dell’elettrone si sfruttano anche quelle magnetiche: il loro “spin”. Esistono già hard disk con testine “spin valve” che, grazie a enormi resistenze magnetiche, possono leggere domini magnetici piccolissimi, quindi immagazzinare dati con grande densità. I compuer quantistici codificheranno informazioni come qubits. 1, 0 o simultanea sovrapposizione di 0 e 1. Un tale computer sarà miliardi di volte più potente degli attuali supercomputer.

Nano-biotecnologie Nano bio sensori Chip neuronali Capaci di riconoscere specifiche sequenze di Dna e di mutazioni genetiche. Forniranno strumenti per rilevare precocemente i tumori e per mettere a punto nuovi farmaci. Chip neuronali Neurone a lumaca cresciuto dal Max Planck Institute su un dispositivo CMOS della Infineon Technologies che misura l’attività elettrica neuronale accoppiando chip elettronici e cellule viventi

Assemblaggio molecolare Oak Ridge Nat. Lab. Nanoingranaggi Nanomotore molecolare Appositi nanoassemblatori, arrangeranno gli atomi per costruire una struttura macroscopica. Migliaia di miliardi di assemblatori occuperanno un’area più piccola di 1 mm2 e saranno ancora invisibili ad occhio nudo. Il loro lavoro abbatterà i costi di produzione, fornendo abbondanti merci, più resistenti ed economiche.

Dal bisturi ai nanorobot Un futuro nanorobot inietta farmaci in una cellula cancerogena o modifica le molecole di un virus. Oggi i più piccoli robot sono grandi qualche cm. I nanorobot potranno rallentare il processo di invecchiamento ed essere programmati per eseguire delicati interventi chirurgici – migliaia di volte più precisi del più affilato bisturi - senza lasciare cicatrici. TERAPIA GENICA NANOFARMACI

I Nanorobot e l’ambiente Costruire con le nanotecnologie (metodo “bottom-up”, opposto al “top-down”) crea anche meno inquinamento dei metodi convenzionali. Metano, CH4 La nanotecnologia avrà effetti positivi sull’ambiente: nanorobot volanti potrebbero ricostruire lo strato di ozono assottigliato; i contaminanti sarebbero automaticamente rimossi dalle sorgenti di acqua e le perdite di petrolio istantaneamente ripulite. Disastro ambientale della Exxon Valdez in Alaska: 37000 tonnellate di petrolio nel mare

Come cambierà la nostra vita Pneumatici: nanoparticelle nelle mescole – 5 anni Vetri: schermi a display – 15 anni Tessuti: cangianti e impermeabili a richiesta – 20 anni Celle solari: in materiale flessibile – 10 anni Nanocomputer quantistico: grande come un palmare – 30 anni Vernici luminose a base di LED organici – 10 anni Assemblatori: 50-100 anni TV: a cristalli fotonici – 10 anni

SCIENZA e TECNOLOGIA: finalmente in stretta sinergia? FISICA: Z. I.Alferov-H.Kromer-J.S.Kilby Per i Circuiti Integrati CHIMICA:J. Heeger-A. G. MacDiarmid-H. Shirakawa Per i Polimeri Conduttori NOBEL 2000 FISICA: Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett Per la teoria dei superconduttori e superfluidi NOBEL 2003

La Scienza e la Tecnologia dei Nuovi Materiali nell’area scientifica del Campus di Parma Nei laboratori Universitari (Dip. di Fisica, Chimici, di Tecnologia dell’Informazione), e del CNR (Istituto dei Materiali per l’Elettronica ed il Magnetismo) si è consolidata un’ attività di ricerca riconosciuta anche in campo internazionale.

Fra le 12 Università Italiane (AQ,BA,CA,CS,GE,MI,RM,PD,PI,VC,TO) che, in ambito scientifico, sono sedi di Corsi di studio in STM, Parma si distingue per offrire un percorso formativo completo dalla Laurea di I livello al Dottorato di Ricerca. Il Campus di Parma L’ istituzione del Corso di Laurea risale al 1997 Nel Novembre 2002 sono state conferite le prime lauree in Scienza dei Materiali Nel Novembre 2003 la prima laurea di I livello in Scienza e Tecnologia dei Materiali

La Scienza dei Materiali a Parma: qualche esempio Deposizione epitassiale di semiconduttori per micro ed optoelettronica Strutture multistrato ad effetti quantistici

Celle solari ad elevata efficienza USO TERRESTRE Struttura di una cella solare a giunzione multipla USO SPAZIALE

Preparazione e studio di Fullereni (NH3)xNaK2C60 (superconduttore) Struttura di Li15C60

Nanostrutture per applicazioni fotoniche, catalitiche e sensoristiche Opale sintetico Nanosfere di polistirene Nanosfere di TiO2

La Scienza dei Materiali è per sua natura una scienza interdisciplinare, in cui gli strumenti fisici, chimici e matematici vengono utilizzati in modo sinergico, superando i limiti delle singole discipline. La figura professionale risultante, in grado di “disegnare” la natura “atomo per atomo”, copre un ruolo determinante per lo sviluppo e le applicazioni delle nuove tecnologie. Per chi volesse proseguire e perfezionare i suoi studi, il corso di Laurea Magistrale e il Dottorato di ricerca in “Scienza e Tecnologia dei Materiali Innovativi” rappresentano il naturale proseguimento del corso di laurea di primo livello.

Material Scientist Ambiti Professionali del Innovazione e sviluppo della produzione di nuovi materiali Progettazione, pianificazione della gestione di sistemi complessi Qualificazione e diagnostica dei materiali Material Scientist Tra gli sbocchi professionali possibili: Piccole e medie aziende attive nel settore delle tecnologie avanzate Società di progettazione, costruzione e/o vendita di strumentazioni scientifiche innovative Laboratori di ricerca e sviluppo di Istituzioni pubbliche o private Laboratori di prove, controllo, certificazione pubblici o privati Insegnamento e formazione nel settore della Scienza e Tecnologia dei nuovi materiali

In alternativa I laureati in STMI (dopo la laurea magistrale) potranno perfezionare la loro specializzazione presso Laboratori e Università di altri paesi, anche nell’ambito di progetti e accordi internazionali (Socrates, mobilità dei ricercatori, ecc.), tramite corsi di MASTER e di Dottorato di Ricerca e/o avviarsi al mondo della ricerca e dell'insegnamento accademico.

I Percorsi Formativi in Scienza e Tecnologia dei Materiali a Parma http://stm.unipr.it Corso di Laurea (triennale) in Scienza e Tecnologia dei Materiali Corso di Laurea Magistrale (biennale) in Scienza e Tecnologia dei Materiali Innovativi Corso di Dottorato di Ricerca (triennale) in

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