Il mondo è piccolo come un arancia

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1 Roberto Cingolani Il mondo è piccolo come un arancia Una discussione semplice sulle nanotecnologie Prefazione di Piero Angela

2 L autore ringrazia Laura Berardi per la collaborazione. Le figure alle pp. 23, 36, 46, 57, 62, 124, 148, 150, 156, 157, 168, 169, 186, 187, 193, 194, 198, 199, 200, 201 e le figure vi e ix dell inserto a colori sono state realizzate da Grafie, Luca Tible. Sito & estore Twitter twitter.com/ilsaggiatoreed Facebook il Saggiatore S.r.l., Milano 2014

3 Il mondo è piccolo come un arancia Alla memoria di mio padre e ai suoi atomi ormai soli

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5 Sommario Prefazione 9 Introduzione. L infinitamente piccolo 15 Approfondimento 1. Stati allotropi del carbonio 27 prima parte Il piccolo mondo 1. Un po di storia 33 Approfondimento 2. L effetto fotoelettrico La nanomanifattura 47 Approfondimento 3. Semiconduttori a confinamento quantistico e colloidi Teorie, modelli e simulazioni 65 seconda parte Come le nanotecnologie cambieranno la nostra vita 4. Le nanotecnologie per la sostenibilità, l ambiente e la sicurezza 79 Approfondimento 4. Fibre di carbonio Nanotecnologia ed energia 103 Approfondimento 5. led e celle solari 117 Approfondimento 6. Batterie, «fuel cells», supercondensatori ed «energy harvesting» 127

6 6. Nanomedicina 143 Approfondimento 7. Il DNA 167 Approfondimento 8. icub 173 L uomo del futuro 177 Conclusione 181 appendici Appendice 1. Vedere l infinitamente piccolo 185 Appendice 2. Creare l infinitamente piccolo 197 Ringraziamenti 203 Note 205

7 Prefazione Molti anni fa, quando cominciarono a farsi sentire i primi allarmi per una crescita squilibrata, che non teneva alcun conto dell ambiente, dell esplosione della popolazione e dei consumi, dei limiti delle risorse e delle fonti energetiche, uno studioso di sistemistica mi fece un esempio che mi colpì. «È vero» disse «che esistono questi limiti, ma sono limiti mobili: la Terra non è come una pentola dove il livello della zuppa cala ogni volta che con il mestolo se ne tira fuori una parte. In realtà ogni volta che si estrae una mestolata, si crea nuova zuppa!» Intendeva dire che lo sviluppo di una società, reso possibile dalla crescita, permette ogni volta di trovare nuove risorse, nuove soluzioni che modificano il quadro d insieme. Per esempio, fonti energetiche importanti come il petrolio, il gas e il nucleare non esistevano quando cominciò la rivoluzione industriale: ma sono state proprio le «mestolate» di carbone estratte dalla pentola terrestre a creare le condizioni per la nascita di una società sempre più tecnologica, in grado di scoprire nuove risorse energetiche. Per la verità, più che scoprire, «inventare». Infatti, petrolio, gas e nucleare non sono ricchezze naturali. Non lo sono mai state. Il petrolio è diventato una fonte energetica solo perché qualcuno ha inventato il motore a scoppio. Il petrolio (la benzina) è un componente del motore. E così il nucleare: nessuno, in passato, avrebbe mai pensato di trarre energia dall uranio: anche l uranio è un componente del reattore nucleare, cioè di una invenzione.

8 10 Il mondo è piccolo come un arancia Cosa c entra, tutto questo, con il libro di Roberto Cingolani? C entra moltissimo. Noi oggi, molto più che in passato, camminiamo in equilibrio su un filo sottile: da un lato i problemi, dall altro le possibili soluzioni. Attualmente i cambiamenti sono diventati sempre più rapidi, e abbiamo quindi bisogno di soluzioni sempre più tempestive. Non solo tecnologiche, naturalmente, ma politiche e culturali, per tutto quello che riguarda i comportamenti individuali e collettivi, l impegno nelle politiche di risparmio, la consapevolezza della fragilità degli ecosistemi (locali e globali), la necessità di una nuova etica ecc. Tutte cose importantissime, senza le quali i grandi problemi non si possono risolvere. Ma quando poi si parla di efficienza energetica, di fonti alternative, di tecniche di risparmio, di nuove risorse, di smaltimento dei rifiuti, di soluzioni innovative, è alla ricerca scientifica e tecnologica, in definitiva, che occorre rivolgersi. Oggi noi stiamo entrando in una nuova dimensione della ricerca, grazie a strumenti mai esistiti in passato, come la microelettronica, la genetica, la robotica, le biotecnologie, le nanotecnologie. E sono proprio questi i nuovi «mestoli» che la ricerca ci fornisce per creare nuove risorse, e permettere uno sviluppo basato sulla crescita del software, dell intelligenza. I ricercatori, infatti, stanno oggi scendendo nei sotterranei della materia, là dove si trovano le molecole e gli atomi, e dove avvengono i processi di base della fisica, della chimica e della biologia. Con la prospettiva, per la prima volta, di realizzare una vera e propria ingegneria della materia a livello molecolare, grazie in particolare alle nanotecnologie. Per capire di quali dimensioni stiamo parlando basta pensare che l unità di misura di questa nuova tecnologia è il nanometro, che corrisponde a un milionesimo di millimetro! In un nanometro, mediamente, si allineano 3 atomi. Siamo quindi nel più intimo della materia. Esistono ormai strumenti per vedere atomi e molecole. Non solo, ma addirittura per vedere in tempo reale le reazioni chimiche (che avvengono in milionesimi di miliardesimi di secondo). Oggi è possibile spostare persino singoli atomi, e osservare la carica e lo spin di un elettrone. È come arrivare in un nuovo continente finora inesplorato. Le nanotecnologie stanno entrando ovunque, perché è evidente la loro pervasività: dall elettronica ai farmaci, dall alimentazione ai processi in-

9 Prefazione 11 dustriali, dalla produzione agricola fino alle stampanti 3D. Ed è evidente anche il loro potenziale contributo a migliorare ovunque l efficienza, il risparmio, le performance. Producendo anche nuovi materiali con prestazioni inimmaginabili prima, e trovando alternative a materie prime sempre meno disponibili. Per quanto riguarda in particolare il settore ambientale, molte cose sono state già realizzate, altre sono in preparazione: materiali biodegradabili, plastiche derivate non più dal petrolio ma da scarti vegetali, maggiore efficienza nei trasporti grazie a materiali ultraleggeri (10 volte più resistenti dell acciaio), speciali spugne disinquinanti che assorbono le sostanze oleose dall acqua, riciclaggio molecolare dei rifiuti, nuovi sistemi per accumulare e trasportare energia eolica e solare, miglioramento dei processi industriali, filtri selettivi per rendere potabile l acqua, tecniche per minimizzare l impatto ambientale della produzione agricola, maggiore efficienza nello sfruttamento delle risorse energetiche, motori meno inquinanti. E, cosa molto importante, la prospettiva futura di riuscire a desalinizzare l acqua a costi compatibili, una sfida fondamentale in un mondo in cui l acqua sta diventando paradossalmente un bene prezioso, malgrado ne esistano oceani interi. Anche in campo medico le nanotecnologie stanno portando la loro rivoluzione: diagnosi precoci a livello di singole molecole, prima dell insorgenza di una patologia; nuovi materiali per tessuti e organi; vettori piccolissimi che aggrediscono le cellule malate, rilasciando un farmaco sulle loro membrane; nanosensori che individuano marcatori tumorali in una singola goccia di sangue; pelle artificiale in grado di percepire sfioramenti, pressioni, caldo e freddo, duro e morbido; persino tentativi di realizzare una retina artificiale, che già in topi ciechi attiva il riflesso pupillare luce-buio; e il tentativo di creare una coclea artificiale grazie a microscopiche «cellule capello» che imitano le cellule ciliate del sistema uditivo. Ma uno degli obiettivi futuri più ambiziosi delle nanotecnologie è quello di imitare sempre più i sistemi naturali, che si sono rivelati molto più efficienti di quelli tecnologici. Per esempio realizzando una fotosintesi artificiale. In natura la fotosintesi produce sei volte più energia di tutta quella consumata dai sistemi umani sulla Terra, semplicemente trasformando 6 molecole di anidride carbonica (presente nell aria) e 6 molecole di acqua (presente nelle piante) in glucosio, grazie all azione della luce del Sole.

10 12 Il mondo è piccolo come un arancia Oggi si sta tentando di imitare questo gioco di prestigio della natura, con risultati però ancora molto scarsi. È una delle sfide per produrre in avvenire energia per sistemi diffusi a bassa potenza. Che la natura sia straordinaria dal punto di vista dell efficienza energetica, del resto, lo mostra il suo grande capolavoro: il cervello, che funziona con un consumo equivalente a quello di una semplice lampadina di watt. Un supercomputer in grado di compiere operazioni analoghe dovrebbe avere dimensioni enormemente più grandi ed essere alimentato da una potenza elettrica equivalente a quattro volte quella che consuma in 24 ore la città di New York! Questo non solo perché il cervello funziona in modo tridimensionale (mentre il computer in modo solo bidimensionale) ma perché l efficienza del sistema è incomparabilmente più grande. Insomma, quando si scende al livello delle molecole e degli atomi e i modelli da imitare diventano oggetti come gli enzimi e le membrane, le prospettive cambiano. Oggi esistono già particelle «intelligenti» di un milionesimo di millimetro e microrobot dalle dimensioni di un batterio. Certo, si è solo agli inizi, ma è evidente che in prospettiva questa microfauna artificiale sarà sempre più in grado di imitare certi sistemi naturali. Del resto, come ricorda Cingolani nel suo libro, la natura ha costruito tutto quello che vediamo con solo un centinaio di tipi di atomi: e semplicemente cambiando di poco la loro disposizione architettonica ha realizzato cose diversissime. Ma queste particelle artificiali, se entrano nel corpo, non potrebbero avere controindicazioni e creare danni? Il libro mette bene in chiaro la necessità di studiare con molta attenzione questa possibilità. Infatti il nostro sistema immunitario non è progettato per aggredire oggetti così piccoli, che potrebbero entrare nella cellula e nel dna. È vero che quando una nanoparticella entra nel corpo viene subito ricoperta di proteine che la rendono silente, ma occorrono più verifiche sperimentali e regole. Anche perché molti nanomateriali sono utilizzati ormai in una gran varietà di prodotti (occhiali, padelle, cosmetici, auto, farmaci ecc.). Il libro ha due piani di lettura: per chi vuole informarsi a livello divulgativo, ma anche per chi vuole saperne di più, attraverso gli approfondimenti a fine capitolo. È quindi un racconto a tutto tondo di questa avventura della nanotecnologia (e dei suoi dintorni): il racconto illuminante di una nuova

11 Prefazione 13 scienza rivoluzionaria di cui oggi si parla molto, ma che qui viene spiegata in modo completo, e in tutte le sue implicazioni, da uno scienziato che lavora proprio nel settore di punta delle tecnologie avanzate. In conclusione, leggendo questo libro, ci si rende meglio conto di quanto la ricerca e l innovazione possano non solo creare nuova «zuppa» nella pentola, ma anche rendere un paese più competitivo. E quanto sia importante, quindi, investire in mezzi (e soprattutto in uomini) capaci di traghettarci verso un mondo in piena trasformazione, dove sempre più conteranno la conoscenza, la competenza e l intelligenza creativa. Piero Angela

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13 Introduzione. L infinitamente piccolo L intero è più della somma delle sue parti. aristotele C è un sensore nella confezione che avvolge un hamburger. Non si vede, è piccolo, infinitamente piccolo, ma è in grado di monitorare la presenza di virus o batteri, attivando speciali funzioni dell involucro per impedirne la proliferazione. C è un rivestimento sulla pagina di un manoscritto antico, fragile tanto che a toccarla si rischia di ridurla in polvere. Impedisce che l acqua rovini la carta, l inchiostro, il capolettera miniato. C è una particella microscopica, capace di distinguere le cellule malate da quelle sane, di attaccarle dall interno, con un rilascio selettivo e graduale di medicinali. E ancora: libri, giornali, televisori e telefoni flessibili; elettronica vestibile, inserita nei tessuti per monitorare i parametri fisiologici dell individuo; tatuaggi elettronici capaci di installare funzioni elettroniche direttamente sul corpo, per esempio connessioni wireless alla rete. Sembrano visioni fantascientifiche di Philip K. Dick, Isaac Asimov o Arthur C. Clarke, ma non lo sono. Oggi, infatti, siamo in grado di vedere l infinitamente piccolo a una dimensione alla quale sono distinguibili le architetture atomiche, e sofisticate nanotecnologie ci permettono di costruire e riparare la materia, senza distinzione fra inorganica, organica o biologica. La portata è rivoluzionaria.

14 16 Il mondo è piccolo come un arancia Mattoncini fondamentali Madre Natura ha a disposizione circa cento tipi di atomi per costruire il mondo di cui facciamo parte. Per farsene un idea complessiva basta osservare la tavola periodica degli elementi chimici, in cui gli atomi sono disposti in base al loro numero atomico, cioè al numero di protoni contenuti nel nucleo. Del centinaio di atomi esistenti, alcuni sono molto più utilizzati di altri, e costituiscono gran parte di ciò che conosciamo (vedi figura 1): idrogeno (H) ed elio (He) nell universo; ossigeno (O), silicio (Si), alluminio (Al) e ferro (Fe) sulla crosta terrestre; carbonio (C), azoto (N), calcio (Ca), fosforo (P) e di nuovo ossigeno e idrogeno nei sistemi biologici. altri elementi 0,25% elio 8,75% idrogeno 91% UNIVERSO ossigeno 49,2% silicio 25,7% tutti gli altri elementi 1,1% titanio 0,6% idrogeno 0,9% magnesio 1,9% potassio 2,4% sodio 2,6% calcio 3,4% ferro 4,7% alluminio 7,5% CROSTA TERRESTRE, ACQUE SUPERFICIALI E ATMOSFERA

15 Introduzione. L infinitamente piccolo 17 ossigeno 65% altri elementi in tracce 1% fosforo 1% calcio 2% azoto 3% idrogeno 10% carbonio 18% CORPO UMANO Fig. 1 Diffusione dei principali elementi nell universo, sulla superficie del pianeta e nell uomo. Utilizzando soltanto questi ultimi sei elementi, l evoluzione è riuscita a differenziare i milioni di composti che sono alla base di tutti gli organismi viventi e di tutti i materiali organici, artificiali e non. Molti dei restanti (vedi figura 2), perlopiù presenti in piccole quantità nei sistemi naturali, sono usati dall uomo per costruire materiali artificiali. È il caso, per esempio, del litio (Li) che troviamo nelle batterie di ultima generazione, del titanio (Ti) che serve a fabbricare le protesi, dell oro (Au) dei gioielli o del silicio impiegato in elettronica per i circuiti integrati. A un osservatore della natura non può dunque sfuggire come, con pochissime specie atomiche, si dia origine all infinità di organismi, materiali e funzionalità che rappresentano la biodiversità del mondo che ci circonda. Un po come i Lego: pochi mattoncini di forma e colore diversi consentono di costruire oggetti di qualsiasi tipo. Quello che conta, infatti, non è solo il tipo di atomo (il singolo mattoncino, della forma e del colore prescelti), ma l architettura con cui questi atomi vengono assemblati, cioè la forma e il tipo di legame che li tiene uniti. Il caso più noto è quello del carbonio, il cui assemblaggio più semplice è quello della cenere, un miscuglio del tutto disordinato a base prevalentemente carboniosa. In opportune condizioni, però, è possibile generare piani ordinati di carbonio, fra loro paralleli e legati da una forza piuttosto debole chiamata forza di van der Waals. Ogni piano è costituito da esagoni adiacenti che presentano un atomo di carbonio in ciascun vertice: i legami sul

16 18 Il mondo è piccolo come un arancia piano sono molto forti, mentre quelli fra i vari piani sono deboli. Questo sistema multistrato è comunemente chiamato grafite (vedi l Approfondimento 1). La grafite consente alla matita di scrivere perché, sotto la pressione della mano, i piani di carbonio sulla punta scivolano l uno sull altro e si depositano sul foglio, a causa della debolezza del legame che li impila. Che una punta di matita e il carbone siano fatti dello stesso elemento forse non stupisce: sono entrambi friabili, neri, e colorano di scuro se li si passa su una superficie. Ma anche dalla matita al diamante la distanza è breve. Può sembrare strano, ma basta modificare la geometria dell architettura per passare da un lubrificante morbido e nero (la grafite, appunto) a un materiale durissimo e trasparente come il diamante e i mattoncini sono sempre gli stessi. Architetture mutevoli Soffermiamoci ancora sul carbonio. Esistono ovviamente altre architetture possibili, che sfruttano la rimozione di una o più dimensioni dell architettura di partenza. Se si isola un singolo piano atomico di grafite, per esempio, si ottiene il grafene bidimensionale, la cui scoperta ha fruttato a Konstantin Novosëlov e Andrej Konstantinovič Gejm un premio Nobel per la Fisica. Si tratta di un materiale ultraleggero, ultraresistente, conduttivo, trasparente e biocompatibile. Quasi fantascientifico, appunto. Arrotolando questo piano, otteniamo un cilindro fatto di esagoni di carbonio, un architettura unidimensionale il cui limite ultimo è rappresentato dai cosiddetti nanotubi di carbonio (buckytubes): le loro applicazioni spaziano dal rinforzo dei materiali all utilizzo come agenti di contrasto in campo medico. Un altra architettura fantasiosa (scoperta per caso) è il «pallone da calcio», conosciuto anche come buckyball, quale il C 60, che ha portato gli scienziati responsabili della sua scoperta al premio Nobel per la Chimica. Nel C 60, sessanta atomi di carbonio formano una sferetta piccolissima, di circa 0,7 nm (nanometri) di diametro (ovvero, per quanto sia quasi impossibile immaginarlo, 0,7 miliardesimi di metro), la cui superficie è costituita da esagoni e pentagoni proprio come le losanghe di un pallone ai vertici dei quali ci sono gli atomi di carbonio. Il C 60, fra i tanti utilizzi possibili,

17 Fig. 2 Tavola periodica degli elementi chimici. Per ciascun elemento, il numero in alto rappresenta il numero atomico, quello in basso la massa atomica.

18 20 Il mondo è piccolo come un arancia O H OH H OH H H H O CH 2 OH O CH 2 OH H O H OH H H H OH O subunità di glucosio subunità di glucosio subunità di cellobiosio Fig. 3 Schema della fibra di cellulosa composta da una sequenza di subunità di glucosio. A destra, immagine al microscopio elettronico a scansione delle fibre di cellulosa che compongono un foglio di carta A4. (Immagine: A. Athanassiou, iit) vanta quello di poter funzionare come «cavallo di Troia» per il trasporto di farmaci antitumorali all interno dell organismo. Ma per capire come al variare dell architettura varino anche le caratteristiche macroscopiche, non c è bisogno di ricorrere a scoperte da premio Nobel, spesso lontane dalla vita di tutti i giorni e di difficile visualizzazione. Prendiamo invece la carta della pagina che state leggendo in questo momento e il ramo di un albero. Non sembra, ma sono entrambi composti del medesimo materiale: la cellulosa. Si tratta di una fibra, chimicamente un polimero, cioè una catena più o meno lunga di anelli di glucosio (uno zucchero), legati fra di loro da un atomo di ossigeno, come si vede in figura 3. A seconda di dove è localizzato il ponte fra due anelli di glucosio, la struttura della cellulosa può essere molto rigida, come nel caso del ramo, o molto flessibile, come nel caso della carta o della buccia di una patata. Gli esempi possibili sono moltissimi, ma vale forse la pena di farne un ultimo, davvero estremo. La più fantastica delle architetture viventi, l essere umano, è composta al 65% (ma la percentuale può essere maggiore) da acqua quindi idrogeno e ossigeno, e per il resto da carbonio e pochi altri elementi, quali potassio, calcio ecc. Se potessimo smontare quest architettura, otterremmo un equivalenza sorprendente: quantitativamente, un essere umano corrisponde a tre grosse taniche di ossigeno, carbonio e idrogeno, e a qualche terrina di sali e metalli. Ancora più impressionante sarebbe scoprire che quasi tutto ciò che vive in natura può essere «smontato» e «rimontato» a partire dalle stesse taniche e dalle stesse terrine. Ne consegue non solo che la differenza fra un uomo alto e uno basso, o fra un

19 Introduzione. L infinitamente piccolo 21 uomo e una donna, è dovuta a microscopiche variazioni di architettura, ma anche quella fra uomo e scimmia, o fra uomo e albero. Quello che non si vede Microscopiche variazioni di architettura. Ma che cosa significa esattamente «microscopiche»? Il concetto di «piccolezza» è sempre relativo alla scala di misure presa in considerazione. La distanza tra Roma e Milano è grande, ma non è nulla rispetto a quella fra la Terra e il Sole: da lassù il nostro mondo è davvero piccolo come un arancia. In natura, la scala delle dimensioni varia dagli anni-luce delle distanze stellari (un anno-luce è la distanza che la luce percorre in un anno viaggiando a km/s, stimata in circa 9400 miliardi di chilometri) ai decimi di miliardesimi di metro delle distanze fra atomi. Gli esseri viventi variano fra la scala dei metri (uomini e animali) e quella dei micron, cioè dei milionesimi di metro (cellule). Nella regione dei nanometri troviamo tutte le strutture biochimiche della vita, le proteine, il dna e le unità cristallografiche fondamentali (vedi figura 4). Oggi la tecnologia è arrivata a coprire tutti gli ordini di grandezza dimensionali, con la sola eccezione degli anni-luce: esistono strade lunghe migliaia di chilometri, grattacieli alti centinaia di metri, piccolissime viti per gli occhiali di appena qualche millimetro e fogli di carta con lo spessore paragonabile al diametro di un capello umano, cioè 20 μm (micron), circa 20 milionesimi di metro. Alcuni ingranaggi micromeccanici hanno anch essi dimensioni dell ordine dei micron, mentre le lunghezze dei transistor di ultima generazione sono comprese fra 200 e 90 nm, non troppo lontane da quelle di alcune proteine. Tuttavia, solo in un periodo molto recente la tecnologia è riuscita a realizzare in maniera precisa e riproducibile oggetti ancora più piccoli. Per quanto relativo, però, il concetto di piccolo è sempre legato alla possibilità di vedere le cose e quindi, in ultima analisi, di illuminarle per poterle guardare: al buio, una scultura di legno e un transistor sono parimenti invisibili. Tutti hanno una comprensione intuitiva di che cosa sia la luce, e di come funzioni, ma il fenomeno è molto più complesso di come appare superfi-

20 22 Il mondo è piccolo come un arancia cialmente. Per ora, basterà dire che la luce è costituita da un campo elettrico e da un campo magnetico perpendicolari tra loro, che oscillano insieme nel tempo. La luce può essere quindi descritta come un onda che si propaga nello spazio (vedi figura 5): un luogo molto illuminato è un luogo dove c è grande densità di onde elettromagnetiche. Il colore della luce, invece, è dato dalla lunghezza dell onda, cioè dalla distanza fra due massimi o due minimi consecutivi di quest ultima. La luce blu ha lunghezza d onda di circa 0,4 μm, quella rossa di circa 0,8 μm (vedi inserto, figura i). Una legge più volte comprovata dice che la separazione minima fra due oggetti visibili a occhio nudo è pari a circa 0,1 mm (cioè 100 μm); impiegando un microscopio, si possono invece risolvere oggetti la cui dimensione è MACRO MICRO NANO UOMO (~2 m altezza) 2 miliardi di nm nm (1 mm) diametro di un CAPELLO UMANO ( nm) 1000 nm (0,001 mm) BUCKYBALL 1 nm MELA (~8 cm) 80 milioni di nm grandezza minima visibile dall occhio umano nm (0,01 mm) DNA 2 nm FORMICA (~5 mm) 5 milioni di nm E. coli BATTERIO 2000 nm diametro di un NANOTUBO di CARBONIO 1,3 nm Fig. 4 Scala delle dimensioni (1 nm = 1 miliardesimo di metro). La nanomanifattura è arrivata a sintetizzare oggetti di dimensioni comparabili alle più piccole entità biologiche.

21 Introduzione. L infinitamente piccolo 23 λ E oscillazione campo magnetico oscillazione campo elettrico B z direzione di propagazione dell onda elettromagnetica Fig. 5 Rappresentazione di un onda elettromagnetica formata da campo elettrico (E) e magnetico (B) perpendicolari, oscillanti a una frequenza ν (numero di oscillazioni al secondo). La lunghezza d onda (λ), la frequenza e la velocità di propagazione (c) dell onda sono legate dalla relazione c = λν. La velocità della luce c è uguale a circa km/s. pari a circa 1 μm. Sfortunatamente, in un cubo di 1 μm di lato Madre Natura impacchetta fino a cento miliardi di atomi, quindi per lungo tempo non è stato possibile osservare le architetture atomiche nemmeno al microscopio. Fino agli anni ottanta, il genere umano ha potuto soltanto immaginare queste architetture, descriverle a livello teorico o ricavarne informazioni in modo indiretto, attraverso metodologie molto complesse. La visione diretta dell infinitamente piccolo a una dimensione in cui sia possibile distinguere gli atomi e la loro struttura è una conquista ben più recente, ed è stata resa possibile da tecnologie e metodi grossolanamente raggruppati sotto la dizione di nanotecnologia o nanoscienza, una disciplina che ha conosciuto un progresso costante e instaurato un circolo virtuoso grazie al quale la comprensione di alcuni concetti consente di migliorare gli strumenti di misura, che a loro volta permettono l osservazione e la conoscenza di fenomeni su scale sempre più piccole, sino al nanometro. Poiché Madre Natura in 1 nm allinea in media tre atomi, oggi possiamo finalmente visualizzare le architetture della vita. Il primo effetto di questa rivoluzione è la caduta delle barriere disciplinari fra le scienze, e questo nonostante la comunità scientifica fatichi a liberarsi dalle categorizzazioni per seguire il filo che lega a livello atomico ogni aspetto della fisica, della chimica e della biologia. Qualcosa di simile è successo con la meccanica quantistica all inizio del xx secolo, e il xxi ha le carte in regola per trasferire questa rivoluzione alle scienze della vita.

22 24 Il mondo è piccolo come un arancia Il mondo è piccolo come un arancia Questo libro è organizzato in modo da accompagnare il lettore attraverso gli sviluppi che le nanotecnologie hanno conosciuto negli ultimi, frenetici decenni. La prima parte è dedicata a illustrare che cosa sono le nanotecnologie e racchiude i capitoli più teorici del libro: la meccanica quantistica non è la più abbordabile delle scienze, per usare un eufemismo, e molti suoi princìpi sembrano anzi sfidare apertamente il senso comune. Abbiamo cercato di affrontarne gli snodi cruciali senza appesantire il testo con lunghe spiegazioni tecniche o formule (che il lettore interessato potrà trovare nelle note), soprattutto nel primo capitolo, dedicato agli esperimenti e alle scoperte che a cavallo tra la fine dell Ottocento e l inizio del Novecento hanno dato il via a una vera e propria rivoluzione nel mondo della fisica. Il secondo capitolo è dedicato invece al tema dell elettronica, alla sua crescita vertiginosa e al suo ruolo di apripista nel campo della manifattura atomica, o nanomanifattura: si tratta di tecniche e dispositivi lontanissimi dall esperienza quotidiana, che richiedono a volte un enorme sforzo solo per essere immaginati. Un po di pazienza è necessaria anche nel terzo capitolo, che si concentra sui metodi di calcolo per prevedere cosa accade a un sistema quando si passa dal livello micro- a quello macroscopico, e dunque per progettare su scala atomica proprietà e materiali nuovi, una possibilità che si avvantaggia oggi dell enorme potenza di calcolo dei supercomputer creati grazie alle nanotecnologie elettroniche. Costruita la necessaria impalcatura teorica operazione difficile, ma ne sarà valsa la pena, nella seconda parte indagheremo come le nanotecnologie possono cambiare la nostra vita. Il quarto capitolo tratta l uso delle nanotecnologie per l ambiente, per esempio nel campo della purificazione dell acqua o in quello della produzione di materiali sostenibili: come si può ben immaginare, è un argomento di importanza capitale per il nostro futuro e quello delle prossime generazioni, che alla tecnologia domandano non solo di risolvere i problemi di un pianeta sovraffollato, popolato da una specie l uomo energivora come nessun altra, ma anche di trasformarsi in uno strumento di equità, per diminuire le differenze fra i popoli. Nel quinto capitolo l attenzione si sposta sulle nanotecnologie per l ener-

23 Introduzione. L infinitamente piccolo 25 gia: lo scopo, in questo caso, è «copiare» la natura per produrre in modo sostenibile l energia che serve ad alimentare i miliardi di elettrodomestici che ci circondano, e non solo. Se si riflette sul fatto che un essere umano consuma più o meno come un frigorifero qualche centinaio di watt, viene da chiedersi perché non si cominci a pensare a sorgenti di energia che funzionino con meccanismi diversi, più vicini a quelli biologici. Il sesto capitolo, infine, rivolge lo sguardo alle nanotecnologie in campo medico. Diagnostica, terapia, materiali biocompatibili: soluzioni che traggono ispirazione dalla natura per creare anticorpi e tessuti artificiali, o per rilevare mutazioni e malattie sin dai primi eventi biochimici. Chiudono il nostro percorso due appendici in cui si presenta una breve panoramica sugli strumenti che ci consentono di vedere l infinitamente piccolo e di interagire con esso, tecnologie e dispositivi senza i quali nessuna delle rivoluzioni qui presentate sarebbe possibile. Nel corso del libro, il lettore troverà anche alcuni approfondimenti che affrontano con dovizia di particolari gli argomenti più tecnici, dai diversi stati del carbonio all effetto fotoelettrico, dalla struttura delle celle a combustibile all energy harvesting, dalla reazione a catena della polimerasi al funzionamento di icub, il robot dell Istituto Italiano di Tecnologia. Lo scopo è sia fornire al lettore specialista l occasione per fare il punto sullo stato attuale della ricerca e della tecnica scientifiche, sia consentire ai lettori incuriositi di addentrarsi più a fondo nel mondo ricco e visionario della nanoscienza. Se le tecnologie che racconteremo saranno non solo sviluppate con attenzione ma anche rese disponbili a tutti, forse in un futuro non troppo lontano l uomo potrà vivere felice per centovent anni e più, in un ambiente sano e pulito, e in una società giusta ed equilibrata. Anche questo sembra fantascienza. Non lo è.

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