Le Nanotecnologie: la nuova frontiera della

Chimica

Mauro Stener (Dipartimento di Scienze Chimiche)

La profonda conoscenza delle proprietà fondamentali, fino La profonda conoscenza delle proprietà fondamentali, fino alla scala atomica o molecolare, permette di progettare alla scala atomica o molecolare, permette di progettare “materiali artificiali” con proprietà “materiali artificiali” con proprietà ad hocad hoc..

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 CHIMICA e della FISICA, un contributo degli strumenti MATEMATCO-INFORMATICI e un rapporto sinergico con le discipline TECNOLOGICHE e INGEGNERISTICHE.

Alcuni esempi: i Materiali SemiconduttoriAlcuni esempi: i Materiali Semiconduttori

I Materiali Superconduttori e I Materiali Superconduttori e a Memoria di Formaa Memoria di Forma

I Materiali Organici e Polimerici

La Scienza e La Tecnologia dei Nuovi MaterialiLa 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.

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

Materiali ed Evoluzione

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 MATERIALIL’INTRODUZIONE di NUOVI MATERIALIdalla PREISTORIA ad OGGIdalla 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 Vetro1500-500 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 RicercaIl ruolo determinante della Ricerca Solide conoscenze dei fenomeni con metodo scientificoSolide conoscenze dei fenomeni con metodo scientificoRuolo fondante della Fisica e della ChimicaRuolo fondante della Fisica e della ChimicaSviluppo di materiali, tecnologie e processiSviluppo di materiali, tecnologie e processi

RICERCA

SCOPERTA

UTILIZZAZIONE

MIGLIORAMENTO

INGEGNERIZZAZIONE

MEDICINA, SPORT, AMBIENTE, ELETTRONICA, INFORMATICA, TRASPORTI, COMUNICAZIONI, ECC.

Applicazioni

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

Università Industria

1950-2000

L’Era del Silicio: Dalla VALVOLA TERMOIONICA al TRANSISTOR ai CIRCUITI INTEGRATI

Nascono la MICROELETTRONICA e l’era del COMPUTER

Gli elementi più abbondanti della crosta terrestre: il silicio è 4 volte più diffuso dell’alluminio e 10 volte più del ferro.

Il Monte Cervino: quanto Silicio è contenuto nella roccia di una sola montagna!

La Rivoluzione Elettronica

1643 Pascalina1853 Calcolatrice Meccanica Scheutz

1946- ENIAC: il primo computer 30 tonnellate 17000 valvole

Le Tecnologie dell’Informazione: dal regolo calcolatore al computer

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 Gbyte20 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 SEMPRE PIU’ PICCOLO: dal Transistor di SBB alla VLSISBB alla VLSI

Bardeen, Brattain, ShockleyBardeen, Brattain, Shockley

Il primo transistor (1947)

““1975 - Il numero di transistor (e quindi la 1975 - Il numero di transistor (e quindi la potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi”potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi”

Lo “SCALING-DOWN” limitato da problemi di natura fisica tecnologica

Oltre la legge di Moore?Oltre la legge di Moore?

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

• Miniaturizzazione molto costosa sotto i 50 nm• Silicio poco adatto ad “elettronica veloce” (TeraHz)• Silicio limitato nei dispositivi fotonici

Produzione dei nanotransistor Intel

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“.

Richard Feynman:il Padre della Nanotecnologia

35 atomi di xenon

1959 R. Feyman prevede la nascita della nanotecnologia 1974 Primo dispositivo elettronico molecolare brevettato (IBM)1985 Scoperta dei fullereni1986 Invenzione del microscopia ad effetto tunnel (IBM-Zurigo)1988 La Dupont progetta la prima proteina artificiale1989 D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon1991 S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio1993 Nasce alla Rice University (USA) il primo laboratorio di Nanotecnologie2001 IBM e Università di Delft (NL) creano il primo circuito logico a base di nanotubi2002 Cornell University (NY) realizza il primo nanomotore2003 USA stanziano 3.7 MLD di $ in 4 anni per la ricerca

NanotecnologieNanotecnologie 1 nm = 1 miliardesimo di metro1 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)

Nanoceramiche in polimeri

Punti quantici

Con nanoparticelle inserite in un altro materiale si ottengono nuove proprietà elettroniche, ottiche, meccaniche, termiche, ecc.

Cristalli Fotonici

Aerogel

Nanotubi di carbonioNanotubi di carbonio

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.

Molecola di Fullerene (C60)

Nanotubi di carbonio

A cosa serviranno i nanotubi?A cosa serviranno i nanotubi?ProprietàDimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli)Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaioFlessibilità: molto superiore alle fibre di carbonioElettricità: conducono fino a 1000 volte più del rameStabilità: resistono fino a 2800°CCosti: 150 volte più dell’oro

Future applicazioniNanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte più piccoli di quelli attualiSonde chimiche: per scansionare le molecoleMuscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umaniNanopinze: per afferrare le molecoleNanobilance: per pesare gli atomiCelle a combustibile: per immagazzinare idrogeno

Nanocircuito (IBM)

Un transistor 20 mila volte più sottile di un capello: le sfide della nanoelettronica

NANOTRANSISTOR NEC: 5 nm (18 volte più piccolo di quelli ora in produzione)

1 cm2 di silicio potrà ospitare 40 miliardi di nanotransistor, 150 volte più del numero attuale. Un cellulare avrà 60 ore di autonomia.

Nel 2001 si credeva che si sarebbe scesi sotto i 9 nm solo nel 2016!

ORO

OROMOLECOLA

SiO2

Piridina + Co + S

Spintronica e Computer QuantisticoSpintronica 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-biotecnologieNano-biotecnologie

Chip neuronaliNeurone 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

Nano bio sensoriCapaci di riconoscere specifiche sequenze di Dna e di mutazioni genetiche. Forniranno strumenti per rilevare precocemente i tumori e per mettere a punto nuovi farmaci.

Assemblaggio molecolareAssemblaggio 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.

Nanoingranaggi Nanomotore molecolare

Oak Ridge Nat. Lab.

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

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.

Costruire con le nanotecnologie (metodo “bottom-up”, opposto al “top-down”) crea anche meno inquinamento dei metodi convenzionali.

I Nanorobot e l’ambienteI Nanorobot e l’ambiente

Disastro ambientale della Exxon Valdez in Alaska: 37000 tonnellate di petrolio nel mare

Metano, CH4

Microscopia

Come si “vedono” questi oggetti?

• Microscopia STM (Scanning Tunnelling Microscope) (1982);• Microscopia SFM (Scanning Force Microscope) (1986) o

Microscopia ATM (Atomic Force Microscope) (1986);

Punta

atomo

Microscopia STM (1)Punta

elettroni

Si basa sul passaggio di elettroni per effetto tunnel dal materiale alla punta del microscopio; si misurano le variazioni di corrente.

Microscopia STM (2)

scanning dati grezzi vista 3D scala di grigi 3D

Scelta di colori per rappresentare le intensità

Microscopia STM (3)

Atomo di Xenonsu superficie di nickel

Microscopia STM (4)È possibile manipolarei singoli atomi e disporli(con molta pazienza) informe “innaturali”.

Atomi di Xenon su rame.

Microscopia STM (5)

Microscopia STM (7)Verifica dellainterferenzadelle onde diprobabilità della meccanica quantistica.

Microscopia SFM (1)

Si basa sulla misura della deflessione meccanica della punta.

Microscopia SFM (2)

Le punte

Le leve (cantilever) (2)

Pneumatici: nanoparticelle nelle mescole – 5 anni

Nanocomputer quantistico: grande come un palmare – 30 anni

Celle solari: in materiale flessibile – 10 anni

Assemblatori: 50-100 anni

Vetri: schermi a display – 15 anni

TV: a cristalli fotonici – 10 anni

Tessuti: cangianti e impermeabili a richiesta – 20 anni

Vernici luminose a base di LED organici – 10 anni

Come cambierà la nostra vita

SCIENZA e TECNOLOGIA: finalmente in stretta sinergia?

FISICA:Alexei A. Abrikosov

Vitaly L. Ginzburg

Anthony J. Leggett

Per la teoria dei superconduttori e superfluidi

FISICA: Z. I.Alferov-H.Kromer-J.S.Kilby

Per i Circuiti Integrati

CHIMICA:J. Heeger-A. G. MacDiarmid-H. Shirakawa

Per i Polimeri ConduttoriNOBEL 2000

NOBEL 2003

•Nanotecnologie: sfida e opportunità per il futuro.

•Come posso dare il mio contributo ed inserirmi anche professionalmente in questo campo?

•Studio Universitario:

•Soprattutto CHIMICA: studia la struttura, la sintesi e le proprietà delle molecole. Immense implicazioni scientifiche, tecnologiche, mediche, economiche ed ambientali. Gli oggetti di cui si occupano le nanotecnologie sono molecole speciali e il chimico ha tutti gli strumenti indispensabili per la loro gestione.