Nanotecnologie: uomo-ragno o uomo-geco ?

"Cosi come abbiamo definito Età della Pietra, Età del Ferro ed Età dell'Acciaio le epoche in base ai materiali padroneggiati dall'uomo, allora noi potremo chiamare la nostra epoca come età del diamante". Questa citazione dello studioso di nanoscienze Ralph Merkle, rappresenta bene il rapporto esistente tra epoche storiche e materiali che ne hanno contraddistinto l'evoluzione. Denominare la nostra epoca "Età del diamante" vuol dire portare in primo piano le nanotecnologie come base per le innovazioni a venire. Perchè è importante manipolare la materia nella scala dei nanometri? La risposta in breve può essere la seguente: i materiali presentano proprietà differenti a queste dimensioni, alcuni sono più conduttivi, altri più resistenti, altri ancora interagiscono in modo particolare con le radiazioni elettromagnetiche. In questo articolo si è deciso di recensire le scoperte riguardanti la proprietà dei gechi di aderire con le loro zampe a qualsiasi superficie, e gli sviluppi di materiali adesivi che mimano tali caratteristiche. Partendo con una breve introduzione sulle nanotecnologie si cercherà di dare al lettore i mezzi per meglio comprendere l'argomento trattato dall'articolo.

Introduzione alle nanotecnologie

Le nanotecnologie riguardano tutti quei processi che hanno alla base la manipolazione della materia in una scala che va da 1 a 100 nm (1 nm = 1 * 10^-9m). Se si pensa che le dimensioni atomiche sono dell'ordine di 10^-10 circa, è facile comprendere come le nanotecnologie abbiano a che fare con la manipolazione di singole molecole o anche atomi.

Sotto il termine nanotecnologie vengono raccolte differenti discipline come: nanoelettronica, nanomeccanica, nanofotonica etc.

Nel dicembre del 1959 nell'incontro della Società americana di fisica il famoso scienziato Richard Feyman tenne una conferenza dal titolo "There's plenty of room at the bottom" che tradotto letteralemente diventa "C'è un sacco di spazio li sotto". Il fisico americano considerava la possibilità di manipolare gli atomi in maniera più profonda rispetto alla tradizionale chimica. Questo testo fu riscoperto decenni dopo come una delle principali ispirazioni per ciò che concerne le nanotecnologie. Infatti nel 1986 Eric Drexler, ispirato dal lavoro di Feyman, usa per la prima volta il termine nanotecnologia nel suo libro intitolato "Engines of creation: The coming era of nanotecnology" proponendo l'idea di un costrutture in scala nanometrica in grado di replicarsi e cosi di costruire sistemi sempre più complessi. Negli anni 80 due scoperte accelerano di fatto l'evoluzione di tali tecnologie:

il microscopio a scansione per effetto tunneling del 1981, che consente di ottenere immagini con risoluzioni dell'ordine di 0,01 nm sfruttando l'effetto tunnel. Permettendo cosi non solo di visualizzare atomi individuali ma anche di manipolarli.
La scoperta dei fullereni del 1985 da parte di Richard Smalley et al.

I fullereni o C60 rappresentano una nuova forma allotropica del carbonio. L'allotropia è una caratteristica di alcuni elementi chimici di esistere in 2 o più forme nello stesso stato fisico. Ad esempio le punte delle nostre matite sono fatte di grafite, e la grafite è un'altra forma allotropica del carbonio cosi come lo è il diamante, ma entrambi presentano legami tra gli atomi differenti.

I fullereni presentano invece una struttura atomica simile ad una palla, da ciò l'altro nome con cui sono conosciuti ossia buckyball.

Nel 1991 il Dr. Sumio caualmente scopre i nanotubi di carbonio (CNT) grazie ai suoi studi sui fullereni.

I CNT possono essere visti come un fullerene allungato o come un foglio di grafite arrotolato su se stesso. A seconda del verso di arrotolamento i nanotubi presentano delle proprietà assai differenti, come si può notare nella figura in basso.

L'arrotolamento zig-zag presenta un comportamento elettrico simile ai metalli poichè permette un migliore flusso della corrente. Il chirale presenta anche un comportamento conduttivo ma di minore entità paragonabile ad un semi metallo. Armchair infine si comporta da semiconduttore in funzione dell'ambiente.

Approcci realizzativi

Nella realizzazione di dispositivi nanometrici esistono due principali approcci:

Approccio top-down, è il più utilizzato dei metodi nonchè il classico sistema per la fabbricazione microelettronica. Si parte da un blocco di silicio ad esempio, e attraverso tecniche fotolitografiche e di etching di scava nel materiale realizzando la struttura. In questo caso è facile comprendere come gli scarti nella lavorazione del blocco di partenza rappresentino il difetto principale.
Approccio bottom-up, invece si basa sull'osservazione che la natura nei suoi processi cerca di ridurre al minimo gli scarti se non proprio ad annullarli. Pensiamo ad esempio ad un bambino che cresce nel ventre della madre partendo da un singola cellula, fino a diventare un organismo complesso. Tutto questo ha portato alla scoperta di metodologie di auto-assemblamento molecolare in cui le molecole sono "portate" a privilegiare certe conformazioni piuttosto che altre.

Applicazioni

Materiali e effetti derivanti da proprietà nanometriche sono intorno a noi già presenti in natura. Infatti molte importanti funzioni degli organismi viventi vengono realizzate a livello nanometrico. La tela del ragno è rinforzata in maniera naturale grazie alla presenza di cristalli nanometrici, mentre lo studio delle foglie di loto ha portato [...]

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