La nanotecnologia è quella branca della scienza che crea e utilizza materiali dalle dimensioni nanometriche
Cosa sono le nanotecnologie. Da sempre l’uomo cerca di replicare le meraviglie naturali (sia nella loro maestosità che nella microscopicità). La continua evoluzione tecnologica ha, così, permesso di osservare, capire e costruire materiali e sistemi appartenenti al mondo nano. Un mondo che segue leggi e proprietà diverse rispetto a quelle presenti su scale superiori.
Cosa sono le nanotecnologie?
La definizione che da l'”U.S. National Nanotechnology Initiative” è la seguente: la nanotecnologia è lo studio e il controllo della materia a dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri, coinvolgendo scienza, ingegneria e tecnologia su scala nanometrica. In questo senso, la meccanica quantistica la fa da padrona.
Spiegandolo in modo più comprensibile, la nanotecnologia è quella branca della scienza che crea e utilizza materiali dalle dimensioni nanometriche (cioè, da 10 mila fino a 1 milione di volte più piccoli di un millimetro).
Nanoscienza e nanotecnologia partono da un concetto molto importante: la possibilità di vedere e controllare singoli atomi e molecole. Tutto sulla Terra è fatto di atomi: il cibo che mangiamo, i vestiti che indossiamo, i palazzi e le case in cui viviamo e il nostro corpo. L’atomo è, però, impossibile da vedere ad occhio nudo. Poi, circa 30 anni fa, sono stati inventati dei microscopi per riuscire vedere le cose su scala nanometrica.
Com’è nata la nanotecnologia?
L’idea di base che ha portato alla nascita della nanotecnologia fu proposta nel 1959 dal premio Nobel Richard P. Feynman. Feynman suggerì di sviluppare una tecnologia che potesse lavorare su dimensioni sempre più piccole fino a raggiungere precisioni atomiche. Nei decenni successivi, questo stimolo fu messo in pratica da molti scienziati, i quali, studiando la materia vivente attorno a noi, intuirono le basi per progettare e costruire strutture piccole e complesse.
Nel 1982, Willhelm Barthlott, botanico tedesco dell’Università di Bonn, scoprì al microscopio elettronico perché le foglie della pianta di Loto sono autopulenti. La superficie delle foglie di questa pianta non è liscia, ma “Nano-ruvida“. Questi invisibili e minuscoli rilievi della struttura delle foglie non permettono, quindi, ai liquidi e alla sporcizia di aderire sulla superficie della foglia. A seguito di questa scoperta ebbe inizio lo studio di altre piante e animali (l’ingegneria nanobionica).
Il termine Nanotecnologia fu, poi, coniato nel 1986 da Kim Eric Drexler, che definì la sua scienza: “Una tecnologia a livello molecolare che ci permetterà di porre ogni atomo dove vogliamo che esso venga posizionato. Le nanoparticelle devono essere programmate per ogni tipo di supporto da formattare“.
Nello stesso anno, venne inventato il microscopio a scansione tunnel (un microscopio a forza atomica che permette di vedere e esaminare le superfici di materiali conduttori e non conduttori).
Cosa sono le nanoparticelle?
Le nanoparticelle (o molecole atomo-molecolari), sono come un piccolissimo esercito intelligente che si organizzano e si dispongono come ha programmato il chimico che ha studiato e preparato l’applicazione. Quindi, per ogni substrato si devono studiare e creare le nanoparticelle adeguate che andranno ad eseguire le modifiche della struttura per ottenere le caratteristiche e gli effetti stabiliti.
Cosa sono le nanocar?
La nanocar è una molecola (progettata nel 2005 presso la Rice University da un gruppo guidato dal Professor James Tour) di pochi nanometri capace di trasportare i medicinali nel nostro corpo, proprio dove sta per svilupparsi la malattia. La nanocar si “muove” quando ci sono determinati stimoli (come l’aumento della temperatura o dell’acidità del corpo).
Cosa sono i nanobot?
In moltissime ricerche ed esperimenti volti a sconfiggere il tumore, alcuni scienziati hanno testato l’utilizzo di questi piccolissimi “robot programmandoli” per riconoscere in maniera selettiva le cellule affette da tumore. Questo tipo di approccio ha permesso in molteplici esperimenti di isolare le cellule malate, bloccando il flusso di sangue alle stesse e limitando un’ulteriore diffusione del tumore nel corpo umano.
Come funzionano le nanotecnologie?
La caratteristica principale della nanotecnologia è quella di ispirarsi a modelli e meccanismi presenti in natura. Ad esempio, le cellule gestiscono un complesso traffico di nanoparticelle. La loro funzione è quella di racchiudere, in uno spazio finito, molecole biologiche, destinandole alla distruzione, all’accumulo o al trasporto.
Quest’ultima funziona (cioè, il trasporto) risulta essere finemente regolato e altamente specifico, in quanto la nanoparticella può portare sulla sua superficie una sorta di indirizzo per la cellula ricevente. I messaggi trasportati sono di vitale importanza, poiché comprendono materiale genetico, molecole e proteine necessarie al corretto funzionamento dell’organismo.
A cosa servono le nanotecnologie?
Milioni di anni di evoluzione hanno affinato una serie di nanotecnologie naturali con le quali abbiamo a che fare ogni giorno (e che permettono la vita stessa). Studiare e replicare questi nano-sistemi porta sostanziali progressi e benefici nel campo della meccanica, dell’ottica, dell’energia e della medicina.
Cellule
Nelle cellule troviamo nano-motori e nano-argani proteici, i quali, scorrendo lungo speciali binari, sono responsabili di tutto ciò che deve essere movimentato in maniera ordinata. Un effetto di alcuni nano-motori è rappresentato dalla contrazione muscolare che, è la somma di contrazioni nanometriche. Sempre parlando del funzionamento dei nano-motori, i flagelli (sono piccole code) permettono a organismi unicellulari (come i batteri) di muoversi nel loro ambiente. Questo ha dato lo spunto per progettare il movimento di nano-robot che potranno viaggiare nel nostro corpo diagnosticando patologie e distribuendo farmaci.
Fotosintesi clorofilliana
Il coordinato sistema della fotosintesi clorofilliana (capace di trasformare l’energia luminosa in glucosio e ossigeno) è un chiaro esempio di nano-centrale energetica. Prendere spunto da questo meccanismo significherebbe avere energia in illimitata, da una fonte rinnovabile.
Gechi
Dispositivi nanotecnologici sono i responsabili della capacità dei gechi di vincere la gravità (grazie a numerosi nano-peli che si adattano alla superficie mediante un effetto ventosa).
Mitili
La presa dei mitili (sono conchiglia triangolare) sulle rocce e la loro capacità di resistere al moto ondoso è dovuta a nano-cannule piene di micelle collose (materiali con queste caratteristiche chimico-fisiche permetterebbero progressi ovunque venisse richiesta una forte adesione in condizioni estreme).
Fiori
La superficie di certi fiori è autopulente, perché ricoperta da nano-cristalli di cera che permettono alle gocce d’acqua di scivolare via portando con sé le impurità. Ad oggi sono già presenti materiali che (copiando questa nanotecnologia) permettono di rivestire superfici rendendole autopulenti.
Insetti e animali
Il carapace dei coleotteri, le ali di certe farfalle, i petali di alcuni fiori, le squame dei pesci e le piume del pavone possiedono una brillanza e iridescenza maggiore rispetto ai soli pigmenti. L’ottica e l’utilizzo quotidiano del colore potrebbe migliorare prendendo spunto da questi esempi.
Come si creano le nanotecnologie?
Per sviluppare e produrre materiali su scala nanometrica vengono utilizzati 2 approcci:
- bottom-up (l’approccio dal basso): partendo dall’assemblaggio di singole molecole;
- top-down (l’approccio dall’alto): mediante una controllata miniaturizzazione del materiale macroscopico.
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