Le cellule costruiscono copie di se stesse per riprodursi ed i robot molecolari potrebbero fare la stessa cosa assemblando case, utensili, automobili, arredi, strumenti medici, astronavi, ecc.
Due esempi estremi sono il più veloce motore molecolare a luce esistente progettato all’Università di Bologna dall’equipe del prof. Vincenzo Balzani 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 capace di 60.000 giri al minuto e l’esperimento delle Ferrovie Svizzere fatto sui vetri frontali di alcuni locomotori in servizio tra Svizzera e Germania sottoposti al forte impatto di polvere, acqua, grasso e ruggine. In questo caso poco “nano-agente” e un riposo per il vetro di circa due ore per dar tempo alle nanoparticelle di organizzarsi automaticamente disponendo quelle leganti sulla superficie vetrata e quelle antiaderenti a contatto con l’aria e per giorni al macchinista non pare di avere il parabrezza. Sei mesi di prove hanno dimostrato che i costi del nano-agente sono stati inferiori a quelli richiesti dalla pulizia giornaliera. Tra i materiali le nanotecnologie avranno un grosso impatto nello sviluppo di nuovi materiali con il conseguente ottenimento di migliori proprietà chimico-fisiche. Ad esempio, la semplice riduzione dei grani nei metalli aumenta la loro resistenza meccanica; o l’introduzione nelle leghe o nei polimeri di nanoparticelle ne modifica il comportamento elettrico, la resistenza al calore e la resistenza agli attacchi chimici.
Si è accertato che l’introduzione delle nanoparticelle influenza fortemente le proprietà chimico-fisiche dei materiali. Ad esempio, i ceramici nanostrutturati sono più duri e tenaci dei convenzionali, i metalli nanofasici sono più duri e possiedono un maggior carico allo snervamento, e le proprietà elettriche dei metalli sono influenzate dalla struttura nanometrica del grano. La forma delle nanoparticelle è altresì importante consentendo di aumentare la resistenza meccanica dei film polimerici, o di altri materiali, in direzioni preferenziali. L’aggiunta di nanoparticelle di argilla nei polimeri origina nanocompositi che evidenziano migliori proprietà di barriera allo scambio gassoso, maggior resistenza meccanica, maggior resistenza al calore, maggior resistenza agli attacchi chimici, conduttività elettrica e una miglior trasparenza. Una caratteristica molto importante è fornita dalla formazione spontanea di un film sottile sulla superficie da ricoprire a causa dell’aggregazione di un solo strato di molecole alla volta. Le molecole che formano i vari strati sono di volta in volta della stessa specie. Le nanoparticelle vengono ottenute con differenti processi chimico/fisici a seconda degli impieghi finali. Le dimensioni sono spesso inferiori ai 100 nm.
Quelle di Silica e di Allumina trovano impiego negli abrasivi per la lucidatura e la pulizia dei wafer di Silicio o dei dischi rigidi dei PC, mentre le nanopolveri di ossido di Zinco o di diossido di Titanio sono ottime se disperse nelle creme protettive solari migliorando l’azione schermante ai raggi UV. Le nanopolveri a base di ossido di Titanio trovano impiego anche nei catalizzatori utilizzati nell’industria chimica per aumentarne l’efficacia. Ossido di Ferro o di Titanio conferiscono alle vernici ed alle tinture nelle quali vengono disperse migliori proprietà tribologiche, miglior resistenza al graffio, maggiore facilità di pulizia e maggiore resistenza ai solventi organici. Gli utilizzi sono nel campo della verniciatura dei metalli, nella tintura dei tessuti e dell’impressione grafica, fotografica e di materiali compositi fotocromici come le nanoparticelle di biossido di Titanio disperse in idrossido di Nichel che diventano scuri alla luce per poi ritornare trasparenti al buio. Le nanopolveri possono essere disperse all’interno del materiale da sinterizzare oppure possono essere sinterizzate loro stesse in toto. I materiali che si ottengono sono ceramici e metalli con migliori proprietà meccaniche. Attraverso determinate tecniche si ottengono nanopolveri che dopo essere state sinterizzate, danno origine a leghe difficilmente ottenibili con altre metodologie. Alcuni esempi sono gli intermetalli, le soluzioni solide ed i metalli amorfi.
Le protesi composte da nanopolveri sinterizzate garantiscono oltre alla biocompatibilità, anche una più rapida e migliore riuscita dell’impianto osseo grazie alla nanoporosità superficiale che le caratterizza. L’impiego di nanoparticelle consente ai farmaci l’azione mirata sui tumori e l’utilizzo di sostanze a bassa solubilità all’interno dell’organismo umano.
Le nanotecnologie avranno un grosso impatto sull’industria tessile. Attraverso trattamenti al plasma si possono inserire nella superficie dei tessuti gruppi di diversa natura chimica. In tale maniera si possono ottenere tessuti con proprietà anti-infeltrenti, idrorepellenti, antistatiche, antimacchia e antipiega, antibatterici e metallizzati; conferire alle fibre migliori caratteristiche estetiche senza alterarne la sensazione al tatto. Questi trattamenti possono essere applicati a fibre polimeriche in quanto la temperatura di lavorazione è inferiore a quella di termodegradazione. Un’altro sviluppo che si avvicina alla lavorazione del marmo è la fabbricazione artificiale, in un giorno soltanto, di perfetti diamanti monocristallini di più di 2 carati. Il sistema chiamato CVD (Chemical Vapour Deposition) è in grado di far crescere i cristalli di diamante atomo per atomo arrivando fino a 45 carati per la gioia dell’industria della gioielleria ma anche per quella dei semicondittori e dei superabrasivi industriali.
Russel Hemley del Geophysical Laboratory of the Carnegie Institution of Washington e i ricercatori presso l’Apollo Diamond Inc. di Boston hanno prodotto i diamanti perfetti ed in grosse quantità impiegando la tecnica sopra citata, mentre, presso l’Europe’s Carbon Power Electronics Consortium della Element Six (De Beers), è stato prodotto un diodo in diamante sintetico. E’ il primo passo per muoversi verso la produzione di diamanti semiconduttori. Come gli esperti fanno notare, dopo l’Età della Pietra, quella del Bronzo e del Ferro sembra ora aprirsi l’Era del Diamante.”
Affascinanti sono le potenzialità che si stanno aprendo per guidare comportamenti e fenomeni a livello molecolare (o di cluster di atomi e molecole), agendo solo su scala nanometrica anche in termini di “motori”. Le “nanomacchine” (o “macchine molecolari”) sono strutture supramolecolari costituite da un numero (che può essere anche molto grande) di componenti molecolari atti a compiere movimenti sotto l’azione di stimoli esterni, I “rotori chimici”, in virtù di equilibri conformazionali legati alla libera rotazione intorno a legami semplici, sono molecole organiche in grado di svolgere movimenti rotatori controllabili o di realizzare un sistema pistone-cilindro azionato da luce (l’eccitazione luminosa può essere utilizzata per distruggere l’interazione che tiene associati diversi componenti inducendo movimenti di “sfilaggio”). Recentemente ha avuto notevole evidenza sulla stampa, non solo scientifica, la realizzazione di un “ascensore molecolare”: variando opportuni parametri è possibile, su scala nanometrica, spostare “piattaforme molecolari” in su e in giù.
Tali macchine sono in grado di sviluppare una forza di circa 200 picoNewton, che è un valore di tutto rispetto per le scale qui prese in considerazione. Non si tratta di fantascienza bensì delle ultime frontiere dell’innovazione che ha le sue radici nella ricerca di idee e progetti che confronteranno nei prossimi anni i big di Stati Uniti, Giappone, Europa, Cina e india. I campi di applicazione delle nanotecnologie sono quindi pressoché illimitati tanto da far prevedere che tra il 2010 e il 2015 le nuove applicazioni rappresenteranno un mercato 5 volte superiore a quello derivato dall’avvento dei semiconduttori e non a caso perchè su queste prospettive sono impegnati ricercatori di tutto il mondo spinti da imprenditori disposti ad investire in settori innovativi e rivoluzionari come ingegneria dei tessuti, biologia sintetica, metabolomica, nanocelle solari, litografia con nonstampa, fili quantici, fototonica al silicio, crittografia quantistica, memoria distribuita e tanto altro in altri settori, marmo compreso.
Tra le applicazioni Un nuovo tipo di ferro è stato sintetizzato da un gruppo di ricercatori dell’Università americana del Wisconsin e del tedesco Max-Planck-Institut a Mülheim. Questo tipo è legato a molecole di azoto e apre le porte allo sviluppo economicamente importante di nuovi processi di lavorazione e di formazione di nuovi materiali ferrosi Il Rensselaer Polytechnic Institute, l’Università Johannes Gutenberg di Mainz, in Germania, Istituto per la ricerca scientifica e tecnologica messicana di San Luis Potosi e dell’Università di Helsinki hanno eseguito i primi esperimenti di resistenza a elevatissime pressioni interne bombardando con elettroni sfere multistrato di carbonio. In campo ingegneristico si utilizza una grande varietà di strumenti e processi per manipolare i metalli, e fra questi i processi di estrusione che si stanno rivelando utili anche nelle nanotecnologie.
I risultati degli esperimenti dimostrano anche l’incredibile resistenza dei nanotubi di carbonio alle pressioni provenienti dall’interno, una cosa che potrebbe renderli ideali per la fabbricazione di cilindri e componenti indrauliche. Negli esperimenti i nanotubi hanno resistito a pressioni intorno ai 40 gigapascal. Da alcuni batteri che sopravvivono nei corsi d’acqua aderendo ai sassi due Università americane hanno tratto le indicazioni per la fabbicazione di un collante con caratteristice tre volte superiore a queli attualmente in commercio. La sua resistenza è stata calcolata in 70 newton per millimetro quadrato. quando la miglior colla può resistere tra i 18 e i 28. La tenacità dell’adesione del batterio è dovuta a un particolare policassaride da esso sintetizzato che potrebbe dare origine a una “supercolla” con interessanti applicazioni in campo medico-chirugico per suture efficaci e perfettamente biodegradabili e molte altre applicazioni in campo industriale.
