La nanotecnologia è un ramo della scienza applicata e della tecnologia che si occupa del controllo della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro, normalmente tra 1 e 100 nanometri, e della progettazione e realizzazione di dispositivi in tale scala.
Il termine indica genericamente la manipolazione della materia a livello atomico e molecolare, dove il nanometro è la comune unità di lunghezza ed è a volte usato per descrivere in generale altre tecnologie microscopiche. Tuttavia la nanotecnologia in senso stretto è quella correlata a lunghezze dell'ordine di pochi passi reticolari (un passo reticolare è la distanza che separa i nuclei atomici in un solido).
Approcci [modifica]
La Nanotecnologia costituisce un ambito d'investigazione altamente multidisciplinare, coinvolgendo molteplici indirizzi di ricerca che vanno dalla biologia molecolare alla chimica, scienza dei materiali e ovviamente fisica, sia applicata che di base, fino all'ingegneria meccanica ed elettronica. Può essere vista sia come un'estensione delle scienze esistenti sulla scala nanometrica, che come un loro riarrangiamento, usando un termine moderno. Due sono gli approcci principali perseguiti attualmente in questo ambito: uno è detto approccio "bottom-up" poiché i materiali e i dispositivi sono realizzati partendo da componenti molecolari che si auto-assemblano tramite legami chimici, sfruttando principi di riconoscimento molecolare (chimica supramolecolare); l'altro è detto approccio "top-down", dal momento che i dispositivi sono fabbricati da materiali macroscopici attraverso un attento controllo dei processi di miniaturizzazione con precisione a livello atomico.
Storia della nanotecnologia [modifica]
Il primo riferimento alla nanotecnologia fu fatto (non utilizzando ancora questo nome) nel discorso tenuto da Richard Feynman nel 1959, intitolato There's plenty of room at the bottom[1].
Feynman suggerì un modo per sviluppare l'abilità di manipolare atomi e molecole direttamente, sviluppando una serie di macchine utensili in scala uno a dieci analoghe a quelle che si trovano in ogni negozio di meccanica. Questi piccoli strumenti, quindi, sarebbero stati utilizzati per sviluppare e controllare la generazione successiva di utensili in scala uno a cento, e così via. Mano a mano che le dimensione diventava minore, sarebbe stato necessario ridisegnare alcuni utensili a causa del fatto che il rapporto tra le varie forze sarebbe cambiato. La gravità sarebbe diventata meno importante, la tensione superficiale sarebbe diventata più importante, così come la forza di van der Waals, etc. Feynman menzionò tutti questi problemi di scala durante il suo discorso; la fattibilità della sua proposta non è mai stata efficacemente confutata.
Il termine nanotecnologia fu utilizzato per primo da Kim Eric Drexler nel suo libro del 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Nel quarto capitolo, Drexler introduce l'autoreplicazione (vedi anche la macchina di von Neumann, o macchina autoreplicante), un'altra potente promessa della nanotecnologia. Le cellule costruiscono copie di se stesse per riprodursi ed i robot molecolari progettati dall'uomo potrebbero fare la stessa cosa. Questo dovrebbe significare che, dopo le enormi spese di ricerca sulla progettazione e costruzione del primo robot molecolare capace di auto-replicazione, il successivo trilione di robot costerebbe l'equivalente di una massa equivalente di verdura. Questi stessi robot con capacità generiche, chiamati assemblatori, potrebbero quindi costruire oggetti più specializzati che sarebbero direttamente utili agli esseri umani, potendo assemblare case, utensili da cucina, automobili, arredi, strumenti medici, navi spaziali, etc. Come gli assemblatori stessi, questi stessi prodotti sarebbero estremamente a buon mercato, comparandoli a quelli fabbricati oggi. In particolar modo, i materiali necessari per questi processi di produzione sarebbero quelli grezzi: atomi, energia, il progetto software, e il tempo.
Ralph Merkle ha comparato la chimica contemporanea al tentativo di costruire interessanti costruzioni con i mattoncini Lego mentre si indossano guanti da boxe: infatti, dato che fino a poco tempo fa non avevamo strumenti che ci permettessero di posizionare un particolare atomo in un determinato luogo (così che si leghi in modo prevedibile con un altro particolare atomo), dovevamo lavorare con numeri di atomi statisticamente grandi. Come risultato, quando producevamo una particolare reazione chimica, frequentemente ottenevamo parecchie specie di prodotti atomici diversi. La reazione era perciò spesso seguita da un processo di filtraggio fisico per estrarre le specie a cui eravamo realmente interessati, separandole dalle altre specie scartate a priori. La nanotecnologia può, quindi, offrire processi produttivi molto più puliti e selettivi rispetto a quelli che erano disponibili ieri con questa tecnologia grezza. La tecnica che ha reso possibile un tale sviluppo concettuale e pratico è la scansione ad effetto di sonda, originariamente sviluppata come forma di microscopia avanzata, sotto il nome di microscopio ad effetto tunnel, e successivamente affinata fino a produrre una gran varietà di strumenti che oggigiorno sono in grado di sondare la materia con risoluzioni superiori al miliardesimo di metro e con la possibilità di interagire con un singolo atomo, spostarlo a piacere su di una superficie, fissarlo ad essa, ecc.
Anche se sono stati compiuti progressi nella produzione di computer e circuiti sempre più piccoli e nella manipolazione di singoli atomi, la costruzione di nanomacchine è per ora allo stadio embrionale. Molti dubitano che un nanorobot ad autoreplicazione controllata sia possibile, e citano la possibilità di mutazioni che rimuovano ogni controllo e che favoriscano lo sviluppo di mutazioni patogeniche. I sostenitori ribattono che i batteri, esempi già funzionanti di nanomacchine, sono progettati appunto per mutare velocemente, e che la mutazione può comunque essere controllata con tecniche di correzione degli errori già utilizzate nei computer moderni. Le ricerche in questo campo hanno portato allo sviluppo di software di simulazione come NanoCAD.
Nanomacchine realizzate [modifica]
Il motore molecolare a luce più veloce esistente "Sunny", capace di 60.000 giri al minuto, è stato progettato all'Università di Bologna dall'equipe del prof. Vincenzo Balzani, pubblicato sulla rivista USA Proceedings of the National Academy of Sciences. Il motore è composto da una molecola filiforme di circa 6 nanometri che funziona da asse di scorrimento per la molecola circolare del diametro di 1,3 nanometri. Alla messa a punto di Sunny hanno partecipato Alberto Credi, Margherita Venturi e lo staff di Fraser Stoddart dell'Università della California a Los Angeles. Più o meno lo stesso gruppo, insomma, che già nella primavera del 2004 aveva annunciato un'altra nanomacchina, un ascensore chiamato "Nanospider" per la sua forma ad aracnide.
Possibili impatti [modifica]
Nonostante sia per ora impossibile sul piano pratico, l'impatto della nanotecnologia sull'economia e sulla legge è stato ampiamente dibattuto. Alcuni pensano che il denaro non verrà più utilizzato, e che la tassazione diventerà impraticabile. Altri ipotizzano che la nanotecnologia farebbe nascere una forte opposizione popolare, com'è successo recentemente per le piante geneticamente modificate e le prospettiva di clonazione umana. Qualunque siano gli effetti precisi, è probabile che la nanotecnologia cambi radicalmente le strutture economiche esistenti, perché tenderà a ridurre la scarsità di manufatti e renderà possibile la produzione diretta di molte cose attualmente difficili da produrre (come il cibo e le medicine).
Le nanotecnologie presentano inoltre dei grossi rischi. Non solo permetterebbero di costruire armi convenzionali più distruttive ad un costo ridotto, ma anche armi di distruzione di massa che si auto-replicano, come fanno i virus e le cellule cancerose quando attaccano il corpo umano. Il consenso generale è che l'auto-replicazione dovrebbe essere permessa solo sotto condizioni strettamente controllate, o vietata del tutto.
Un'altra applicazione delle nanotecnologie è la utility fog, nella quale una nuvola di microscopici robot connessi (più semplici degli assemblatori) cambierebbe la propria forma e le sue proprietà per formare oggetti o strumenti macroscopici diversi, rispondendo a comandi inviati da un software. Invece di modificare le attuali pratiche di consumare beni materiali in forme differenti, la utility fog sostituirebbe semplicemente la maggior parte degli oggetti fisici.
È anche nata la paura che robot nanomeccanici (nanobot), se lasciati liberi di autoreplicarsi, possano consumare l'intero pianeta nella loro ricerca di materie prime, o semplicemente possano competere (e vincere) con le forme di vita naturali per l'energia disponibile, come è successo storicamente quando le alghe blu-verdi sono apparse e hanno cancellato le forme di vita precedenti. Questa situazione è a volte chiamata "grey goo" o scenario dell'ecofagia. È considerata uno dei possibili risultati di una singolarità tecnologica (assieme ad altri risultati molto più rosei).
Visti questi pericoli, il Foresight Institute (fondato da Drexler per preparare l'arrivo delle future tecnologie) ha realizzato una serie di principi [1] per lo sviluppo etico della nanotecnologia. Essi includono la proibizione di pseudo-organismi autoreplicanti perlomeno sulla superficie della Terra, e forse anche in altri ambienti. Per l'Italia, si veda il documento approvato, nel 2006, dal Comitato nazionale per la bioetica.
Narrativa [modifica]
Drexler e altri hanno contribuito alle idee della nanotecnologia con altri due libri Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution [2] (Liberare il futuro: la rivoluzione nanotecnologica) e Nanosystems: molecular machinery, manufacturing, and computation [3] (Nanosistemi: macchine, fabbriche e computazioni molecolari). Il primo è un libro (di agevole lettura) che introduce alle idee della nanotecnologia, in un modo non troppo tecnico. Il secondo è invece un'analisi dettagliata di numerosi possibili meccanismi nanotecnologici, con un'analisi scientifica della possibilità di costruirli e delle loro capacità. Un altro libro da segnalare nello stesso filone è Nanomedicine di Robert Freitas.
La nanotecnologia è anche diventata un tema prominente nella fantascienza [4], per esempio con i Borg di Star Trek, la nanomacchina a difesa di un tesoro nel film anime Lupin III - Dead or Alive, il romanzo di Neal Stephenson L'era del diamante (The Diamond Age), quello di Wil McCarthy Microgenesi (Bloom) e infine il Romanzo di Michael Crichton Preda. Essi trattano di vari pericoli potenziali dell'ingegneria molecolare, ma in modo più o meno rassicurante; ad esempio, persino l'ecofagia è considerata un evento a cui si può sopravvivere. Alcuni hanno comparato questi libri a quelli della cosiddetta fantascienza post apocalittica, che supponeva possibile o perfino desiderabile la sopravvivenza dopo una guerra nucleare globale.
Note [modifica]
- ^ Trad. "C'è moltissimo spazio in basso" - dove il termine "in basso" è inteso come il mondo al di sotto delle dimensioni molecolari.
Qualche anno dopo Jean-Marie Lehn parafraserà Feynman con l'espressione There's even more room at the top indicando la strada al di sopra delle dimensioni molecolari verso la chimica supramolecolare
Bibliografia e riferimenti [modifica]
- Feynman, R., There's plenty of room at the bottom, 1959
- Drexler, K. E., Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Books, ISBN 978-0385199735 1986
- Waldner, Jean-Baptiste Nanocomputers and Swarm Intelligence, ISTE - John Wiley & Sons, ISBN 1847040020 2008
- Hari Singh Nalwa Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology (10-Volume Set), American Scientific Publishers, ISBN 1-58883-001-2 2004
- Mark R. Wiesner and Jean-Yves Bottero, Environmental Nanotechnology : Applications and Impacts of Nanomaterials, Mc Graw Hill, New York, ISBN 9780071477505 2007
- Kurzweil, Ray, Promise and Peril - The Deeply Intertwined Poles of 21st Century Technology, Communications of the ACM, 2006
Voci correlate [modifica]
- Chimica supramolecolare
- Claytronica
- Miniaturizzazione
- Nanoarte
- Nanofotonica
- Nanotubi di carbonio
- Singolarità tecnologica
- Spintronica
- Transumanesimo
- Nanomedicina
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