NEWSLETTER. Supplemento a Notizie Airi n. 152 settembre ottobre 2006 Anno XXI Bimestrale Abbonamento annuo Soci Euro 49,00 Non soci Euro 70,00

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1 NEWSLETTER D I C E M B R E Editoriale...1 PRIMO PIANO Il Secondo Censimento Italiano delle Nanotecnologie...3 Verso il 7 programma quadro, le prospettive per la ricerca in ambito nano e micro...7 RICERCA & SVILUPPO Tecniche di nanostrutturazione e autoassemblaggio per dispositivi mems innovativi...9 Nanomedicine: drug delivery by microemulsions and solid lipid nanoparticles...15 Nanotecnologie e tessili: possibili applicazioni e sviluppi dei materiali nanocompositi... nel settore del tessile...18 Metal-Polymer Nanocomposites: new materials for advanced functional applications...22 Sorgenti compatte di raggi X realizzate con nanotubi di carbonio...25 NOTIZIE Lettera Aperta al Governo sulle Nanotecnologie...28 Primavera in Giappone...28 Nuovo bando per le Nanotecnologie in Veneto...28 Partecipazione italiana alla conferenza Nanotech Nuovo notiziario Assocompositi...29 Il Distretto Tecnologico pugliese DHITECH...29 Rapporto CBEN su pubblico e prodotti nano...30 Nanochallenge Strategia pubblico/privato per le nanotecnologie in Finlandia...31 Le nanotecnologie in Francia: il programma PNANO...31 Avviata in Germania la Nano-initiative action plan Task force della Food and Drug Administration sulle nanotecnologie...32 Polimeri nanoporosi per l idrogeno...32 STMicroelectronics inaugura nuova linea di produzione MEMS ad 8 pollici in Italia...32 Verso la conclusione il progetto europeo NaoMITEC...33 The Nanodialogue Project...33 SEMINARI & CONVEGNI NanoItalTex 2006: Le nanotecnologie per il tessile italiano...34 Workshop ATA Nanotecnologie: dalla diffusione scientifica all evoluzione industriale nei trasporti..35 International School and Workshop: Nanoscience & Nanotechnology (n&n2006)...35 Nanoforum Governare le nanotecnologie in Italia...40 Nuova edizione di Nanoweek...42 Presentazione dei risultati del progetto FIRB Mapionano...43 Research to Business 2007 (R2B): la ricerca industriale incontra l impresa...43 ALTRI EVENTI Periodico di informazione sulle nanotecnologie dicembre 2006 Supplemento a Notizie Airi n. 152 settembre ottobre 2006 Anno XXI Bimestrale Abbonamento annuo Soci Euro 49,00 Non soci Euro 70,00 Spedizione in abb. postale comma 20 lett. B art. 2 L n. 662 Roma/Romanina Pubblicità 45% Autorizzazione Tribunale di Roma n. 216 del 29 aprile 1986 Redazione AIRI: Roma Viale Gorizia, 25/c tel , fax info@nanotec.it -

2 AVVISO PER I LETTORI Nuove modalità di distribuzione di Nanotec IT Newsletter Gentile lettore, Newsletter Nanotec IT fino ad ora è stata spedita in forma cartacea (e gratuita) ad un ampio indirizzario di persone direttamente coinvolte o interessate nelle nanotecnologie che Nanotec IT ha costruito nel corso delle sue attività, ed in particolare grazie al Censimento sulle nanotecnologie ed ai numerosi eventi organizzati. A partire dal prossimo numero, è stato deciso di attivare la diffusione anche in formato elettronico (via ) ed al contempo limitare la distribuzione in formato cartaceo, che sarà inviata ad un numero più selezionato di indirizzi. Continueranno a ricevere la copia cartacea le organizzazioni iscritte ad AIRI/Nanotec IT ed i soggetti che collaborano con l Associazione per la realizzazione di pubblicazioni ed eventi, in particolare tutte le organizzazioni che hanno risposto al Censimento delle nanotecnologie. Oltre che una più rapida distribuzione, il formato elettronico permetterà una maggiore diffusione e circolazione della rivista, alzando l attuale tiratura di 1000 copie, con il risultato di favorire cosi una più efficace promozione delle nanotecnologie e la conoscenza dell attività in corso, in particolare quella in Italia. Oltre al formato elettronico, sarà comunque possibile richiedere eventuali copie su carta mediante il versamento di un contributo per spese di tecniche e di spedizione di 20 euro all anno. Nota importante Quanti vogliono segnalare eventuali variazioni di indirizzo o desiderino essere inseriti nella mailing list della Newsletter sono pregati di contattare i nostri uffici. Contributi per la Newsletter Nanotec IT è interessata a ricevere articoli, notizie ed informazioni in genere su attività di ricerca nel campo delle nanotecnologie da pubblicare sulla Newsletter. Quanti volessero sfruttare tale opportunità sono pregati di contattare la redazione entro il 20 di marzo per proposte relative ad articoli di R&S ed entro il 15 aprile per notizie, informazioni ed eventi (uscita prossimo numero: maggio 2007). Per informazioni Andrea Porcari, tel , porcari@nanotec.it

3 P R I M O P I A N O T Editoriale L importanza attribuita al ruolo delle nanotecnologie nello sviluppo tecnologico e la crescita economica futuri, è chiaramente indicata dai fondi previsti per R&S in questo settore nel 7 Programma Quadro (7PQ) della UE che prenderà il via all inizio del Come riportato in questa Newsletter, nell arco della durata del Programma ( ), la Tematica 4, Nanosciences, Nanotechnologies, Materials and new Production Technologies (NMT), della quale le nanotecnologie sono magna pars, potrà contare su finanziamenti per circa 3500 milioni di Euro, e fondi per progetti che vedranno le nanotecnologie come protagoniste, sono disponibili anche nell ambito delle altre aree prioritarie del 7PQ, incrementando ulteriormente le risorse dedicate a questo settore. Le nanotecnologie sono insomma considerate uno strumento essenziale per la competizione globale e tutti i piu importanti paesi del mondo dedicano risorse cospicue alla R&S in questo campo per sfruttare adeguatamente le opportunità che offrono. Anche nel nostro Paese, come evidenziato dal 2 Censimento delle Nanotecnologie in Italia pubblicato da AIRI/Nanotec IT lo scorso mese di agosto e riportato anche esso in questa Newsletter, è in corso una notevole attività di R&S nelle nanotecnologie la quale, ancorché di minore entità se confrontata con quella di diversi altri paesi nostri diretti concorrenti, coinvolge risorse economiche ed umane di tutto rispetto e riguarda sia il mondo della ricerca pubblica che quello delle imprese, grandi e piccole. Una indagine condotta dal Woodrow Wilson International Center ha messo in luce che sono attualmente presenti sul mercato circa 300 prodotti basati sulle nanotecnologie. Il mercato legato a questi prodotti, che fanno riferimento ad una grande varietà di settori produttivi, è stimato essere stato nel 2005 pari a circa 32 miliardi di $, ma le aspettative di crescita sono pero enormi. Le previsioni variano entro ampi limiti, ma è comunque convinzione diffusa che il mercato generato da prodotti che incorporano nanotecnologie possa raggiungere dimensioni dell ordine delle centinaia se non delle migliaia di miliardi di dollari da qui a anni! Condizione essenziale, sulla quale esiste ampio consenso, tuttavia, è che perché queste aspettative si realizzino veramente, è necessario che si operi affinché gli eventuali rischi associati alle nantecnologie (come a qualsiasi altra tecnologia) siano ridotti al minimo. Cio richiede un impegno forte e condiviso, a livello mondiale, per comprendere e gestire i rischi potenziali per la salute, la sicurezza e l ambiente, ma anche per valutare le implicazioni socioeconomiche che possono derivare dalla diffusione di queste tecnologie abilitanti emergenti. Il tema non è nuovo e l editoriale della newsletter di un anno fa si chiudeva sottolineando proprio questa esigenza. Da allora la consapevolezza circa la necessità di promuovere uno sviluppo responsabile delle nanotecnologie ha guadagnato sempre piu spazio e stimolato iniziative volte a promuovere un impegno sempre piu convinto in questa direzione. Nell ambito della National Nanotechnology Initiative (NNI) USA, attraverso la quale passano tutti i finanziamenti federali a sostegno di R&S nelle nanotecnologie, la spesa 2006 per ricerca su problematiche connesse ambiente, sicurezza e salute (ESH) delle nanotecnologie dovrebbe essere di circa 37,5 milioni di $, un incremento, sia pur lieve, rispetto ai 35 spesi nel 2005, mentre per il 2007 sono stati richiesti per questa voce 44 milioni. La ricerca in questo campo, insieme a quella volta a valutare gli aspetti etici, legali e sociali connessi con la diffusione delle anotecnologie è ormai comunque considerata una priorità della NNI ed è previsto che le iniziative per affrontare il problema con efficacia crescano ulteriormente nei prossimi anni. Recentemente, il National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) Americano ha rilasciato un rapporto nel quale è riportato quanto al momento è noto circa la possibile pericolosità dei nanomateriali e le precauzioni da prendere per minimizzare l esposizione sul posto di lavoro. Su questo documento il NIOSH ha chiesto commenti e indicazioni da quanti, a vario titolo, sono coinvolti con le nanotecnologie in modo che le direttive di salvaguardia possano essere ulteriormente perfezionate e disseminate. A sua volta, la Food and Drug Administration (FDA) ha appena costituito una task force sulle nanotecnologie che dovrà definire una regolamentazione che garantisca che i farmaci, i sistemi medicali, i vaccini, i cosmetici, gli alimenti che incorporano nanotecnologie che vengono immessi sul mercato sono efficaci e sicuri. La Commissione Europea, nel 7 Programma Quadro, ha posto l approfondimento degli aspetti legati alla sicurezza ed alle implicazioni sociali, tra i requisiti essenziali richiesti per progetti che concernenti le nanotecnologie che verranno presentati. A. D Maynard, advisors del Project on Emergine Technologies del Woodrow Wilson International Center, in un suo articolo apparso su Nature dello scorso mese di novembre, ha individuato 5 priorità per poter affrontare con efficacia il problema. In particolare, sviluppo di: 1) strumenti per accertare l esposizione dell ambiente ai nanomateriali; 2) metodi per valutare la loro tossicità; 3) 1

4 TP R I M O P I A N O modelli per predire tali effetti; 4) procedure per valutare l impatto dei nanomateriali lungo tutto il loro ciclo di vita; 5) programmi strategici per promuovere ricerca focalizzata sull accertamento del rischio. Tutto cio pero deve essere accompagnato, come è stato detto al Convegno Safety, Risk and Regulation of Engineered Nanoparticles, tenutosi il settembre scorso a San Gallo (Svizzera), da tutta una serie di iniziative su temi che sono cruciali per un azione efficace. Queste riguardano in particolare la definizione di una terminologia chiara e condivisa, un approccio proattivo alla gestione del rischio, revisione delle legislazioni esistenti, cooperazione e coordinamento tra i vari organismi pubblici, industria e ricerca a livello nazionale ed a livello internazionale, nano-labelling, informazione e dialogo con il pubblico. Quest ultimo aspetto è cruciale in quanto senza l accettazione da parte del pubblico le nanotecnologie difficilmente avranno la diffusione attesa. E ciò si può ottenere solo combinando un impegno convinto per valutare oltre che i benefici anche i rischi potenzialmente associati a queste tecnologie ed una comunicazione tempestiva, corretta ed affidabile, che rassicuri, prevenga i pregiudizi e guadagni la fiducia della gente. Insomma, lo sviluppo responsabile delle nanotecnologie è una priorità strategica unanimemente riconosciuta e deve uniformare l azione di tutti coloro che sono impegnati/coinvolti in questo campo. Anche AIRI/Nanotec IT si è adoperata per promuovere il dibattito su questo tema e nel Convegno Governare le nanotecnologie in Italia, organizzato a luglio 2006, sono emerse utili indicazioni su come perseguire l obiettivo suddetto. L esistenza, anche in Italia, di una Iniziativa Nazionale sulle Nanotecnologie (NNI), analoga a quelle esistenti in altri paesi, oltre che imprimere un accelerazione ed un cambio di marcia dell impegno del Paese nelle nanotecnologie, faciliterebbe senza dubbio anche l azione in questa direzione. AIRI/Nanotec IT, che sostiene da tempo opportunità della creazione di una iniziativa di questo genere, ne auspica ancora una volta l attivazione. I tempi sono maturi. Elvio Mantovani Direttore Nanotec IT 2

5 P R I M O P I A N O T Il Secondo Censimento Italiano delle Nanotecnologie Elvio Mantovani, Andrea Porcari AIRI / NanotecIT Introduzione Le nanotecnologie rappresentano ormai una sfida globale che vede coinvolti i principali Paesi del mondo, molti dei quali hanno fatto delle nanotecnologie una delle opzioni principali a sostegno della loro strategia di sviluppo. Per assicurare una adeguata competitività del Paese sullo scenario internazionale e quindi fondamentale che anche in Italia vi si un preciso impegno da parte di tutti gli attori del settore per sfruttare al meglio le potenzialità della ricerca e delle imprese italiane in questo settore. Una approfondita conoscenza della situazione (attori, attività, iniziative, risorse disponibili, ecc) è la base necessaria per rendere questo impegno efficace. Il settore è in continua evoluzione e per questo motivo AIRI / Nanotec IT, che già nel 2004 aveva realizzato il 1 Censimento delle Nanotecnologie in Italia, ha creduto opportuno ripeterlo per aggiornare il quadro di riferimento in modo da favorire e facilitare eventuali azioni volte a promuovere e sostenere lo sviluppo delle nanotecnologie e delle sue applicazioni. Metodologia Il documento è stato realizzato inviando un questionario dettagliato ad un ampio numero di organizzazioni individuate da AI- RI/Nanotec IT sulla base del 1 Censimento, dei contatti e delle informazioni raccolte nel corso delle sue attività istituzionali e da un lavoro di ricerca specifico. La raccolta dei dati è iniziata a gennaio 2006 e si è conclusa all inizio di giugno 2006 ed i dati relativi a ciascuna delle organizzazioni censite sono stati fedelmente riportati in schede dedicate e raccolte nel Censimento (in alcuni casi le organizzazioni sono state ricontattate per avere ulteriori dettagli o precisazioni). Il Censimento è stato redatto in Inglese per favorirne la circolazione anche al di fuori del territorio nazionale. Il Censimento Il 1 Censimento AIRI/Nanotec IT, pubblicato nel 2004, aveva mostrato una attività piuttosto intensa nelle nanotecnologie, che coinvolgeva sia la ricerca pubblica sia quella privata. Nel corso degli ultimi due anni questo impegno è ulteriormente aumentato ed il nuovo Censimento ne ha messo in evidenza l entità. Il numero di organizzazioni/strutture (imprese, enti di ricerca, dipartimenti universitari, Istituti, ecc) attive nelle nanotecnologie che hanno risposto al questionario del Censimento è passato infatti da 120 nel 1º Censimento a 169. Circa il 60% di esse fa riferimento alla ricerca pubblica, ed il 40% ad imprese private (Figura 1). 38% Fig. 1 - Distribuzione (%) delle organizzazioni censite tra ricerca pubblica e industria Notevolmente cresciuto è anche il numero delle persone coinvolte (intese come addetti R&S full time equivalent, compresi PhD e personale con contratti di ricerca temporanei). Queste sono passate infatti dalle circa 1330 rilevate nel 1 Censimento a In particolare, gli addetti del settore pubblico sono aumentati da 1122 a 1958, ma l incremento maggiore è riscontrato nel settore privato, passato da 200 a 2360 addetti (Figura 2). 55% Ricerca pubblica Ricerca pubblica Industria Industria Fig. 2 - Distribuzione (%) degli addetti R&S impegnati nelle nanotecnologie tra ricerca pubblica e industria Il drammatico incremento registrato nel settore privato merita tuttavia una precisazione. Infatti, esso è in gran parte dovuto ad una singola impresa, fortemente impegnata nel settore della nanoelettronica (tecnologie CMOS sotto i 100 nm) che assorbe un numero molto elevato di persone. Secondo i dati forniti, nel periodo , le organizzazioni riportate nel Censimento hanno prodotto 6989 pubblicazioni scientifiche, la quasi totalità delle quali (6795) sono state pubblicate su riviste internazionali. Il 95% di tali pubblicazioni è dovuto alle organizzazioni pubbliche (Figura 3), ma si deve tenere conto che, mentre la quasi totalità dei soggetti pubblici hanno risposto alla domanda, di quelli privati solo il 50% lo ha fatto. 62% 45% 3

6 TP R I M O P I A N O Fig. 3 - Origine delle pubblicazioni scientifiche Per ciò che riguarda i brevetti, i soggetti censiti hanno dichiarato di avere ottenuto, nel periodo , 314 brevetti, di cui 94 in USA (USPTO), 132 in EU (EPO) e 24 in Giappone (JPO). A differenza delle pubblicazioni, in questo caso vi è una prevalenza dell industria sia pure piuttosto modesta (Figura 4). La situazione effettiva potrebbe tuttavia essere diversa. Solo il 50% circa dei soggetti, sia pubblici sia privati, infatti, ha dato risposta a questa domanda ed inoltre, nel questionario, veniva chiesto di indicare solo i brevetti contenenti nel titolo la parola nanotecnologia. Questa limitazione potrebbe essere stata troppo restrittiva e di conseguenza il numero di brevetti riportato potrebbe essere sottostimato. 53% Fig. 4 - Origine dei brevetti 5% Ricerca pubblica Ricerca pubblica Industria Industria Lo spettro dell attività di ricerca in corso in Italia è piuttosto ampio e riguarda 7 aree tematiche principali. Queste sono le stesse sia per le strutture del settore pubblico che per le imprese. Una valutazione qualitativa dell entità di questa attività è riportata in Figura 5, nella quale è indicato il numero di strutture impegnate in ciascuna della varie aree tematiche. Dalla figura risulta che l attività è distribuita in maniera piuttosto equilibrata anche se le aree sulle quali maggiormente si concentra l attenzione sono: Materiali (strutturali e funzionali); Salute & sistemi medicali/ life sciences ; Raccolta dati, processing e trasmissione (dispositivi e materiali). Di rilievo risulta anche l impegno nella ricerca di base/lungo termine, la quale oltre a coinvolgere, come è ovvio, la ricerca pubblica riguarda anche un numero significativo di imprese. 95% 47% Numero di strutture 1. Structural and functional materials; 2. Data storage, processing and transmission (devices and materials); 3. Health & medical systems / Life sciences; 4. Fundamental / long term research; 5. Instrumentation / equipments; 6. (Electro) chemical-related products and processes Fig. 5 - Numero di organizzazioni per area di ricerca (domanda a risposta multipla). La distribuzione territoriale delle organizzazioni censite è mostrata in figura 6, la quale indica come circa il 70% delle strutture considerate sono concentrate in gran parte nelle regioni del Centro e Nord Italia. La Lombardia è la regione con la piu alta densità. Nel Sud Italia è presente un numero inferiore di strutture, ma si deve sottolineare che alcuni di esse sono particolarmente rilevanti in termini di numero di persone, strumentazioni e attività. Come per la figura precedente, il grafico, essendo un semplice somma dei soggetti presenti in una data area, fornisce una indicazione solo qualitativa sulla distribuzione della attività di ricerca nel Paese. Numero di strutture Lombardia 1. Materials Piemonte + Valle D'Aosta 2. Data storage 3. Health Lazio Veneto Emilia e Romagna Toscana 4. Long term research Friuli e Venezia Giulia Liguria Campania Umbria Puglia Sicilia Marche Calabria Trentino e Alto Adige Abruzzo e Molise Sardegna Fig. 6 - Distribuzione geografica delle organizzazioni attive nella ricerca sule nanotecnologie 5. Instrumentation 6. (Electro) Chemical Ricerca pubblica Industria 7. Energy 8. Others La Ricerca Pubblica Come già mostrato dal 1 Censimento, l impegno della ricerca pubblica nello sviluppo delle nanotecnologie è notevole. Secondo il 2 Censimento risultano impegnate in questo campo 104 strutture, con un totale di 1958 addetti, e la Figure 7 mostra che il 4

7 P R I M O P I A N O T maggiore numero di queste fa riferimento al Consorzio Interuniversitario INSTM (40), seguito da altre strutture universitarie non afferenti ad INSTM (33), da CNR/INFM (21), INFN ed ENEA ed altri (10). Altre università 31% Fig. 7 - Distribuzione (%) delle organizzazioni censite tra le Istituzioni considerate La situazione cambia se si considera il numero di addetti R&S nelle singole Istituzioni. In questo caso il CNR/INFM è quello con più persone, seguito dal Consorzio INSTM e dalle altre Università (Figura 8). Altre Università 22% ENEA e INFN 30% Altri 8% CNR (INFM) 20% Altri 5% INSTM 30% CNR (INFM) 42% glia. Altri due distretti sono in via di definizione in Sicilia ed Umbria La disponibilità di personale qualificato è essenziale per lo sviluppo delle nanotecnologie ed il 2 Censimento ha messo in evidenza che il numero delle Università che offrono corsi post laurea sulle nanotecnologie (master in primo luogo, ma anche dottorati) sono notevolmente aumentati. Spesso sono coinvolte anche le imprese che contribuiscono con tesi, stages, workshop. Le Imprese Il 2 Censimento ha messo in evidenza l esistenza in Italia di 65 imprese impegnate in questo settore. Un numero decisamente più alto rispetto alle 20 individuate nel 1 Censimento, segno di una crescente maturità del settore, che in molti casi ha già permesso la realizzazione di prodotti industriali. Il 30% di queste imprese è costituito da grandi imprese (>250 addetti) mentre il restante 70% sono PMI. Tra le PMI, la maggioranza di esse sono piccole (<50 addetti) o micro (<10), spesso start-up o spin-off di strutture di ricerca pubblica, le quali giocano pero un ruolo non marginale (Figura 9). Large 29% Micro 28% ENEA e INFN 2% INSTM 29% Medium 14% Small 29% Fig. 9 - Numero di imprese (%) in funzione della loro dimensione Fig.8 - Distribuzione (%) degli addetti R&S sulle nanotecnologie tra le Istituzioni considerate Da questi dati risulta una certa frammentazione dell attività anche se si deve considerare che c è uno sforzo a mitigare questa frammentazione favorendo l aggregazione di risorse su temi/obiettivi comuni. Anche a questo obiettivo risponde la creazione promossa dal MIUR negli ultimi 2-3 anni di Centri di Eccellenza per le Nanotecnologie che fanno riferimento a strutture che operano all interno del Consorzio INSTM e delle altre Università. Questi sono in totale sette, localizzati presso l Università ed il Politecnico di Milano, l Università ed il Politecnico di Torino, l Università di Trieste, l Università di Perugia, l Università di Calabria. Questi centri coinvolgono complessivamente 253 addetti. Un ruolo importante per lo sviluppo tecnologico ed industriale e la promozione della collaborazione tra pubblico e privato in Italia e svolto dai distretti tecnologici creati dal MIUR e dalle regioni negli ultimi cinque anni. Alcuni hanno le nanotecnologie tra le loro priorità di intervento. Questi sono: Veneto Nanotech, creato nel 2003, e completamente dedicato ai nanomateriali, il Centro per le Biomedicina Molecolare (CBM) in Friuli Venezia Giulia, il distretto sui Materiali Polimerici e Compositi (IMAST) in Campania e quello su nanoscienze, bioscenze e infoscenze (DHitech) in Pu- Tra le grandi imprese vi sono importanti aziende Nazionali quali Centro Ricerche Fiat (CRF), Centro Sviluppo Materiali (CSM), Centro Tecnico di Gruppo di ItalCementi, Colorobbia, il gruppo Finmeccanica (con imprese quali Alenia Aeronautica, Alcatel-Alenia Spazio, Selex Communication, Selex Sistemi Integrati), ENItecnologie, Olivetti i-jet, Pirelli Labs, Saes Getters, STMicroelectronics. In Figura 10 è riportata la distribuzione degli addetti R&S tra le imprese ed ovviamente la grande maggioranza è concentrata nelle grandi imprese. Micro 2% Large 88% Small 4% Medium 6% Fig Distribuzione (%) degli addetti R&S in funzione della dimensione dell impresa Come visto in precedenza, le aree tematiche delle ricerche in corso in ambito privato sono analoghe a quelle della ricerca pubbli- 5

8 TP R I M O P I A N O ca. Lo spettro dei potenziali settori di applicazione è molto ampio e comprende elettronica, ITC, salute e sistemi medicali, trasporti, aerospazio, chimica, difesa, energia, tessile e materiali. Le grandi imprese sono generalmente focalizzate sul loro core business, mentre le PMI tendono a rivolgersi a più settori di mercato. Si tratta infatti di PMI che spesso forniscono servizi, tecnologie di processo o strumentazione, e che quindi operano su diversi settori di mercato, oppure PMI basate su un singolo prodotto o processo che cercano di adattare la loro idea a molteplici applicazioni e mercati. Nonostante l attività nel campo delle nanotecnologie sia essenzialmente a livello di ricerca, 58 organizzazioni su 169 hanno affermato di avere prodotti o processi che si trovano nella fase di sviluppo prototipale/pilota o commerciale. Il 40% di questi soggetti e pubblico ed il 60% privato. Ovviamente solo le imprese hanno prodotti sia a livello prototipale o pilota sia a livello commerciale (Figura 11). Il finanziamento pubblico è in Italia ancora il propellente principale della R&S nelle nanotecnologie le quali sono tra le priorità dell ultimo Programma Nazionale di Ricerca ( ). Stabilire l entità complessiva dei finanziamenti pubblici non è tuttavia del tutto agevole. Sulla base dei dati raccolti dal Censimento è stato stimato che questi nel 2005 sono stati pari a circa 60Meuro. A questi vanno aggiunti finanziamenti da parte della UE ricevuti nell ambito del 6 Programma Quadro (6PQ) e stimati in circa Meuro. È importante sottolineare, tuttavia, che ancorché notevole, l impegno complessivo è in Italia ancora quantitativamente inferiore a quello di altri grandi paesi con i quali l Italia è chiamata a confrontarsi, in particolare Germania, Francia, UK. Dai dati raccolti emerge inoltre una certa frammentazione dell attività. Tutto ciò rende evidente l esigenza di incrementare le risorse e di ottimizzare gli sforzi al fine di sfruttarle al meglio. L esistenza, anche in Italia, come accade in altri paesi, di una Iniziativa Nazionale per le Nanotecnologie renderebbe sicuramente più agevole il raggiungimento di questo obiettivo Industria Ricerca pubblica Numero di strutture Prototype Pilot Commercial Fig.11- Stadio di sviluppo della ricerca (domanda a risposta multipla) Alcuni dei prodotti e processi afferenti alle nanotecnologie già in fase avanzata di sviluppo (prototipo) o a livello commerciale messi in luce dal Censimento sono: Nanoelettronica (tecnologie CMOS per logiche e memorie) Dispositivi ottici nanometrici Trattamenti superficiali (per tessile, ceramica, metalli, ecc.) Diagnostica (es. DNA chips) Nanoparticelle Nanoemulsioni (per cosmetici) Strumentazione (es. AFM) Nano sensori Nanomateriali fotocatalitici Il volume Second Italian Nanotechnology Census puo essere richiesto ad AIRI/ NanotecIT. Informazioni sulle modalità di acquisto: Contatti Elvio Mantovani Andrea Porcari mantovani@nanotec.it; porcari@nanotec.it Conclusioni Il 2 Censimento Nanotec IT ha evidenziato che è in corso in Italia una intensa attività nelle nanotecnologie che mobilita risorse rilevanti sia nell ambito della ricerca pubblica che delle imprese. L impegno del settore privato è in continua crescita e si riferisce ad importanti comparti industriali, ma la ricerca pubblica rimane fondamentale per lo sviluppo delle nanotecnologie e delle loro applicazioni. 6

9 P R I M O P I A N O T Verso il 7 programma quadro, le prospettive per la ricerca in ambito nano e micro Vitantonio Altobello AIRI - Roma Il 22 dicembre 2006 saranno pubblicate le prime Calls for proposals del 7 Programma Quadro di Ricerca e Sviluppo Tecnologico (7PQ), il principale strumento della Commissione Europea per la pianificazione e il finanziamento diretto alle attività di R&S pubbliche e private. Il 7PQ sarà pienamente operativo dal 1 Gennaio del 2007 e durerà ben sette anni, fino al Saranno a disposizione della ricerca circa 50 miliardi di Euro distribuiti su vari programmi specifici. Con 32 miliardi, il programma Cooperation sosterrà, come indica chiaramente il nome, l attività di R&S cooperativa e sarà il cuore del 7PQ, ma le comunità scientifiche e industriali possono trovare opportunità di sviluppare ricerca di frontiera nel Programma Ideas (circa 7.5 miliardi di Euro), migliorare la formazione attraverso il Programma People (circa 5 miliardi), che rafforza misure di interscambio tra accademia e industria e infine, mediante il programma Capacities (4 miliardi di Euro), potenziare il coordinamento e lo sviluppo di infrastrutture di ricerca, favorire la cooperazione regionale e internazionale e il dialogo tra scienza e società. Le aree tematiche e la tipologia alle quali possono fare riferimento le proposte che verranno presentate sono di seguito sintetizzate. COOPERATION Health Food, agriculture and biotechnology Information and communication technologies Nanosciences, nanotechnologies, materials and new production technologies Energy Environment (including climate change) Transport s(including aeronautics) Socio-economic sciences and the humanities Security and Space IDEAS Research at the frontier PEOPLE Initial training Life-long training Industry-academia International dimension Specific actions CAPACITIES Research infrastructures Research for the benefit of SMEs Regions of Knowledge Research potential Science in society Coherent development of research policies International co-operation (STRUTTURA DEL 7PQ - Per favorire e facilitare la partecipazione alle Piccole e Medie Imprese (PMI) al 7PQ sono previsti strumenti a loro dedicati nel programma Capacities, si tratta dello schema Research for SMEs per PMI prive di capacità di ricerca e lo schema Research for SMEs Associations per le associazioni rappresentative di PMI che vogliano identificare problemi comuni alle imprese e promuovere la disseminazione di tecnologie utili al settore. Inoltre le PMI riceveranno una percentuale di co-finanziamento pari al 75% dell investimento per la loro partecipazione a tutti i progetti di ricerca e sviluppo. Se la struttura complessiva del 7PQ resta sostanzialmente allineata a quella del 6PQ, la filosofia di fondo sposta in parte la visione europea dalla ricerca applicata, che passo dopo passo muove l innovazione, alla ricerca di base considerata come acceleratore verso scenari di eccellenza nel progresso scientifico europeo. Come risultato, il 7PQ oltre che semplificare alcune operazioni di presentazione delle proposte e di rendicontazione, pone la centralità sulla ricerca e non solo sugli strumenti di gestione e da impulso a progetti fortemente innovativi. Troveranno ampio spazio i Large projects, la cooperazione internazionale con paesi terzi, mentre si prevede una riduzione dei Networks of Excellence, dei quali verranno privilegiati solo quelli in grado di mantenere vitalità oltre la durata del progetto co-finanziato. Con il Programma Cooperation si intende dare un particolare sostegno alle attività transnazionali secondo un piano di lavoro che, coerentemente con la filosofia del 7PQ richiamata sopra, delinei almeno tre direttrici principali: spazio significativo alla ricerca di base, forte impulso alla soluzione di problematiche identificate dal mondo industriale, apertura a paesi terzi, soprattutto Stati Uniti e area asiatica. La ricerca nelle nanotecnologie trova sostegno essenzialmente nel Tema 4, Nanosciences, Nanotechnologies, Materials and new Production Technologies (NMP), il quale recepisce i principali punti identificati dalla Commissione Europea nel documento 7

10 TP R I M O P I A N O Nanosciences and nanotechnologies: An action plan for Europe , ma progetti di ricerca facenti riferimento alle nanotecnologie possono trovare spazio anche in altre aree tematiche. Cio è vero in modo particolare per Health, ICT, Energy, Environment e Transports, dove le nanotecnologie possono essere una componente essenziale, anche se magari non prioritaria, della ricerca. Per il Tema 4 la Commissione ha previsto un finanziamento complessivo, per tutta la durata del 7PQ, di circa 3500 milioni di Euro, suddivisi, indicativamente, come riportato nello schema sottostante Fig.1 - Dati EC presentati a Nanoitaltex, Milano Novembre 2006 Il budget 2007 che, come indicato in figura, è previsto essere di circa 540 milioni di Euro, dovrebbe essere suddiviso indicativamente come segue: 55% su Large scale Integration Projects, circa 25% su Small and medium scale Focused Projects, 3% su Coordination and Support Actions, 15% su SME targeted Projects 2% su ERANet. E volontà della Commissione far si che la ricerca Nano sia indirizzata verso bisogni sociali garantendo competitività e sviluppo sostenibile. Considerato che lo sviluppo del settore Nano comporterà una crescita di prodotti totalmente nuovi e l acquisizione di nuove conoscenze, è fondamentale che la prevenzione di eventuali rischi per la salute, la sicurezza e l ambiente, nonché un aperto dialogo con la società su questi temi, siano tenuti in considerazione e costituiscano un aspetto importante dei progetti presentati. Al fine di ottimizzare le ricadute della ricerca sul piano industriale, invece, è necessario che le proposte tengano conto di almeno due fattori: la trasformazione dei settori industriali coinvolti dentro un economia competitiva basata sul driver ricerca e non solo sul driver prodotto e la piena realizzazione degli scenari prioritari individuati dalle Piattaforme Tecnologiche Europee per 30 settori chiave delle quali 12 direttamente e 4 indirettamente sono collegate alle Nanotecnologie. Di seguito ne sono riportate solo quelle per le quali maggiormente le nanotecnologie possono giocare un ruolo rilevante: Advanced Engineering Materials and Technologies - EuMaT European Construction Technology Platform - ECTP European Nanoelectronics Initiative Advisory Council - ENIAC Future Manufacturing Technologies - MANUFUTURE Future Textiles and Clothing - FTC Hydrogen and Fuel Cell Platform - HFP Innovative Medicines for Europe - IME Nanotechnologies for Medical Applications - NanoMedicine Photonics21 Photonics (tutte le piattaforme si trovano su Le calls NMP che saranno note il 22 dicembre vedranno il primo stage di valutazione ad aprile ed il secondo a ottobre per cui è ragionevole pensare che i progetti approvati possano partire alla fine del prossimo anno. E importante che i progetti da presentare per il 7PQ tengano in considerazione sia la logica ricerca orientata a tutti i settori e ricerca integrata su specifici settori che separa Small and medium scale Focused Projects e SME targeted Projects da Large scale Integration Projects, sia gli obiettivi scientifici identificati dalle suddette Piattaforme Tecnologiche Europee nelle strategic agenda. In conclusione, far convergere la ricerca globale nello spazio europeo e spostare il focus scientifico su innovazioni radicali del sistema produttivo sembra essere, dunque, lo spirito del nuovo Programma Quadro. Un esigenza dettata probabilmente dalla consapevolezza di essere ancora lontani dalle aspettative delineate nella strategia di Lisbona di fare dell Europa un economia della conoscenza mentre è vicino quel 2010 che, nelle sua scommessa con il mondo, la politica europea aveva indicato come data per raggiungere tale obiettivo. Contatti Per maggiori informazioni sul 7 PQ rivolgersi a: Vitantonio Altobello, AIRI - Roma altobello@airi.it 8

11 R I C E R C A & S V I L U P P O t Tecniche di nanostrutturazione e autoassemblaggio per dispositivi mems innovativi Marco Pizzi, Valerian Konyachkine, Marzia Paderi, Luca Belforte, Vito Lambertini, Nello Li Pira, Federica Valerio, Gianfranco Innocenti Centro Ricerche Fiat, St. Torino 50 Orbassano (TO), Italy. Considerazioni sull evoluzione delle nanotecnologie Nel 1957 Hoerni e Noyce inventarono la tecnologia planare [1] che consiste nell introduzione della fotolitografia e di tecniche di deposizione di film sottile e di incisione chimica nell industria elettronica, che da quel momento divenne microelettronica. Fu una rivoluzione che consentì un grande sviluppo di questo settore, sintetizzato nella famosa legge di Moore. Dopo alcuni anni ci si rese conto che le tecnologie della microelettronica potevano essere utilizzate anche per realizzare strutture che integrassero micromeccanica, elettronica e successivamente microottica. Queste microstrutture vengono denominate MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Il primo esempio di MEMS fu presentato nel 1968 dai Westinghouse Laboratories e consisteva in un microrelé elettrostatico denominato resonant gate transistor [2] che abilitava la trasmissione del segnale quando un microcantilever conduttore sospeso su un sottostrato di silicio veniva eccitato alla frequenza di risonanza. Alle tecniche classiche della microelettronica utilizzate per integrare in un singolo componente micromeccanica e microottica, si sono aggiunte tecniche per manipolare la materia a livello di singoli atomi o di gruppi di poche decine di atomi come le tecniche di Surface Probe Microscopy (SPM) o il Focussed Ion Beam (FIB). Tutte queste tecniche sono dette di tipo top-down e fanno riferimento dal punto di vista teorico al celebre discorso di Richard Feynman del Oltre a questi processi derivati dalla microelettronica si sta affermando una nuova serie di tecniche ispirate ai processi biologici dette di autoassemblaggio (di tipo bottom-up ). Le nanostrutture artificiali ottenute per autoassemblaggio sono estremamente semplici se confrontate anche con il più elementare organismo vivente ma indicano la fattibilità di processi dalle potenzialità enormi che richiedono un atteggiamento culturale completamente nuovo. Vista la novità delle tecniche di tipo bottom up è più difficile individuarne le radici teoriche, anche se è probabile che dopo questa fase iniziale in cui inevitabilmente prevale un atteggiamento empirico, assumeranno importanza crescente i lavori che tentano di descrivere la complessità, dai modelli per descrivere i sistemi lontani dall equilibrio fino ai modelli biologici. Non arriveremo probabilmente mai a dispositivi complessi che si assemblano da soli e crescono come vegetali, ma alcuni materiali innovativi e nanostrutture autoassemblate esistono già. Ad esempio un gruppo di ricerca del MIT ha recentemente presentato nanofili di oro assemblati da virus opportunamente modificati, selezionati e istruiti [3]. Al CRF realizziamo matrici di nanocanali (allumina porosa) che non sono ottenibili mediante tecniche classiche di microlavorazione di tipo top-down. Oltre al termine MEMS, è stato introdotto il termine NEMS (Nano Electro Mechanical System) sia per indicare nanosistemi come i motori molecolari, sia microsistemi che includano parti nanostrutturate. Dal punto di vista strettamente tecnologico ci troviamo in una fase paragonabile a quella in cui si trovava l elettronica prima dell introduzione della tecnologia planare in cui i singoli componenti dovevano essere assemblati singolarmente, con grossi limiti alla realizzazone di sistemi di elevata complessità. L obiettivo a più breve termine riguarda l integrazione delle tecniche top down, già da tempo mature per la produzione in grandi volumi, con le tecniche bottom up, ancora in una fase di rapida evoluzione e ridefinizione continua. I primi dispositivi complessi che gioveranno dell incontro tra le metodologie di tipo top down e bottom up saranno MEMS nei quali alcune parti vengono realizzate per autoassemblaggio. Nel seguito vengono presentati due casi paradigmatici di incontro tra micro e nanofabbricazione in tecnologie sviluppate presso il Centro Ricerche FIAT. Esempi di tecnologie NEMS-MEMS per sensori Sono passati molti anni prima che i discendenti dei primi dispositivi MEMS avessero i requisiti necessari per diventare componenti automotive ma oggi la loro diffusione è molto vasta ed in crescita. In un auto ci sono in media 50 sensori, fino a 100 in un auto di lusso, di cui il 30% circa è realizzato mediante tecniche MEMS. Nel seguito viene riportato il numero di sensori utilizzati in alcuni sistemi/funzioni. Electronic controlled transmission (ECT) 9 Antilock braking system (ABS) 4 Central locking system (ZV) 3 Dynamic beam levelling (LWR) 6 Automatic air condition (AAC) 13 Active body control (ABC) 12 Tire pressure monitoring (TPMS) 11 Common rail diesel injection (CDI) 11 Sono in sviluppo presso il CRF alcuni sensori MEMS di particolare interesse per il controllo e la riduzione dell impatto ambientale dei trasporti. Un esempio è dato dallo spettrometro IR miniaturizzato per controllo emissioni a bordo veicolo. Una misura diretta della concen- 9

12 tr I C E R C A & S V I L U P P O trazione dei gas di scarico (COx, HC, NOx, H2O) a bordo veicolo, oltre a diventare probabilmente obbligatoria con le nuove normative, consentirebbe un utilizzo più efficiente dei sistemi e delle strategie volte a ridurre le emissioni. I sensori gas a base di zirconia inizialmente sviluppati per monitorare l O2 sono stati utilizzati in laboratorio per misurare le concentrazioni di CO e NOx. Sono inoltre stati proposti sistemi per il monitoraggio di HC, H2S e di CO2 basati su principi simili. Il limite principale di queste tecniche è la scarsa selettività rispetto alle varie specie chimiche. Questi limiti potrebbero essere superati mediante tecniche di controllo basate sulla spettrometria IR. La spettrometria viene già utilizzata a banco per il controllo emissioni mediante attrezzature ingombranti e costose che ne rendono impensabile l utilizzo a bordo veicolo, se non per le misure effettuate in fase di ricerca e progettazione. La tecnologia abilitante di un dispositivo che possa essere montato su tutte le vetture è costituita da modulatori ottici MEMS operanti nell infrarosso. Uno spettrometro classico si compone di una sorgente IR, un cammino ottico opportuno che attraversi il materiale da analizzare, un reticolo di diffrazione che scompone il fascio nelle componenti cromatiche e una matrice di sensori che misura l intensità relativa di strette bande di frequenza. Il costo elevato della matrice di sensori ha finora frenato una più vasta diffusione delle tecniche di analisi basate su spettrometria IR. Il dispositivo CRF sostituisce la costosa matrice di sensori con una matrice di modulatori MEMS che permette di ricostruire lo spettro con un singolo sensore. I modulatori MEMS sono composti da tre parti principali: un elettrodo rigido ed uno strato dielettrico trasparenti all IR e un elettrodo flessibile metallico (fig.1). Fig. 2 - Matrice modulatori ottici elettrostatici. Fig. 3 - Modulatore ottico elettrostatico. I modulatori MEMS sono realizzati mediante la tecnica di Stress Induced Self Assembly (SISA) che costituisce una combinazione di microlitografia e autoassemblaggio (fig. 4). Fig. 1 - Sezione di alcuni elementi modulatore MEMS. Applicando una tensione opportuna tra gli elettrodi, l elettrodo flessibile si distende sulla superficie del dielettrico per effetto dell attrazione elettrostatica ed il pixel cambia il proprio stato da trasparente a riflettente. Pertanto la superficie delle microstrutture può essere utilizzata come otturatore e/o come specchio. Una vista di insieme di una matrice di elementi è mostrata in fig.2 mentre in fig.3 è mostrato il particolare di un singolo elemento. Fig. 4 - Tecnica SISA. 10

13 R I C E R C A & S V I L U P P O t I particolari micrometrici vengono realizzati mediante tecniche classiche di fotolitografia e incisione chimica. I film strutturali vengono deposti controllando lo stato di tensionamento interno, agendo sulla variazione della composizione della lega metallica durante la deposizione. Detta z la direzione perpendicolare al sottostrato, controllando con precisione i parametri di deposizione si può ottenere complesse sono stati presentati recentemente. Ad esempio una evoluzione originale di questi concetti è la cosiddetta origami technique, introdotta da un gruppo di ricerca giapponese della ATR nel 2003 [6]. Parti rigide vengono connesse da elementi flessibili che si assemblano deformandosi sotto l effetto del tensionamento interno. La rimozione dello strato sacrificale permette la deformazione del film strutturale che raggiunge la condizione di energia potenziale minima. Con questa tecnica sono state realizzate varie microstrutture con curvatura sia positiva che negativa anche nello stesso elemento, come microshutters, microserbatoi, mocrocoil, come mostrato in fig.5 e 6. Fig.6 - Esempi di microfabbricazione SISA, microcoils e elementi flessibili per un attuatore elettrostatico Fig.5 - Esempi di microfabbricazione SISA, microshutters. Questa tecnica [4-5] sta acquistando popolarità e alcuni lavori interessanti che utilizzano queste tecniche per ottenere strutture Generalmente utilizziamo fotolitografia e attacco chimico per ottenere i pattern a livello micrometrico sui film a tensionamento controllato ma è anche possibile e particolarmente utile durante le fasi di studio di nuovi dispositivi utilizzare il FIB per tagliare le micro o nanostrutture e depositare materiale aggiuntivo per modificare lo stress complessivo del film. Quseta procedura può essere considerata una sorta di FIB rapid nanoprototiping. La figura seguente mostra un rettangolo ritagliato su un film a tensionamento controllato in cui su due cerchi laterali è stato depositato del platino. Dopo la rimozione dello strato sacrificale il rettangolo va a formare la superficie laterale del cilindro mentre i due cerchi costituiscono le basi. 11

14 tr I C E R C A & S V I L U P P O Fig.7 - Esempio di FIB micromachining In un altro esempio (fig.8) il tensionamento di un cantilever viene modificato depositando con il FIB alcune strisce di Pt: questa zona del cantilever rimane rettilinea dopo la rimozione dello strato sacrificale. Fig. 8 - Controllo della deformazione del film mediante deposizione locale mediante FIB. Una prima versione dello spettrometro a microshutter elettrostatici, realizzata per dimostrare il concetto, si compone di emettitore IR, ottiche per la dispersione del fascio, ottica di ricombinazione, matrice MEMS, sensore IR, elettronica di pilotaggio e condizionamento del segnale (figura 9). Le prime misure effettuate su vari campioni hanno evidenziato prestazioni paragonabili allo stato dell arte di spettrometri classici notevolmente più costosi. Lo stesso dispositivo potrebbe inoltre essere utilizzato per il monitoraggio dello stato usura olio, della qualità del carburante e della qualità dell aria nell abitacolo. Fig.9 - Spettrometro IR. Lo spettrometro MEMS è solo un piccolo esempio di applicazione di queste tecnologie alla riduzione dell impatto ambientale dei trasporti. Un altro esempio riguarda l area di ricerca dei MEMS piezoelettrici che potrebbero trovare applicazione nella misura di parametri fisici rilevanti nel controllo motore, come ad esempio il ciclo di pressione in camera di combustione. Le condizioni richieste di elevata temperatura, pressione e ambiente riducente sono particolarmente critiche e richiedono lo sviluppo di materiali innovativi. I limiti dei materiali attuali possono essere riassunti nei seguenti punti: (i) La transizione alla fase paraelettrica o in un altra fase ferroelettrica deve essere significativamente più alta della maggiore temperatura di utilizzo. Una eventuale transizione di fase causerebbe una parziale o completa depolarizzazione del materiale. L utilizzo prolungato in prossimità di una transizione di fase può portare ad una parziale depolarizzazione anche se la temperatura di transizione non viene superata. Il problema è ulteriormente aggravato dall esposizione ad elevata pressione che può portare ad una parziale o completa rotazione dei domini ferroelastici. (ii) Il materiale deve mantenere una elevata resistività elettrica per ridurre perdite di segnale. Questo aspetto è aggravato dall utilizzo in ambiente riducente. (iii) L applicazione statica o dinamica di elevate tensioni meccaniche causa lo spostamento delle pareti dei domini che nel tempo tendono ad uno stato di equilibrio. Sottoposto a pressioni statiche il materiale presenta quindi un drift della carica piezoelettrica (creep) e se sottoposto a pressioni dinamiche un aumento di isteresi e nonlinearità del segnale piezoelettrico, limitando la precisione del sensore. (iv) Un altra fonte di deriva del segnale è data dalle cariche piroelettriche che si presentano per variazioni di temperatura. 12

15 R I C E R C A & S V I L U P P O t Vengono valutati vari approcci per superare i problemi descritti: (i) Utilizzo di materiali con pareti dei domini bloccate, come nel caso di hard PZT che mostra limitato creep, minore isteresi e nonlinearità rispetto ai ferroelettrici soft. In questo caso il problema è che i materiali hard presentano un comportamento dipendente dalla loro storia e che le temperature di Curie sono generalmente limitate a C. I materiali basati su composizioni tipo PZT presentano però il vantaggio di avere elevati coefficienti piezoelettrici. (ii) Utilizzo di materiali in cui le pareti dei domini ferroelastici sono assenti o immobili. Ne sono esempio materiali basati su strutture tipo Aurivillius (titanato di bismuto) e basati su metaniobato di piombo. Il vantaggio ulteriore delle strutture tipo Aurivillius è l elevata temperatura di Curie (fino a 900 C) a scapito di coefficienti piezoelettrici volte inferiori rispetto al PZT. Anche il metaniobato di piombo presenta elevata temperatura di Curie ma una bassa resistività elettrica. (iii) Utilizzo di materiali con transizione ferroelettrica-paraelettrica superiore a quelli della famiglia PZT ma con lo stesso ordine di grandezza dei coefficienti piezoelettrici come ad esempio soluzioni solide tipo BiMeO3-PbTiO3. Il potenziale svantaggio di questo approccio è la presenza di MPB (morphotropic phase boundary) che, se attraversate possono portare alla parziale o completa depolarizzazione del materiale. Si conosce molto poco della stabilità dei domini in questa classe di materiali. Il potenziale è comunque molto elevato in quanto nel caso in cui si riuscisse a operare in prossimità delle MPB i coefficienti piezoelettrici sarebbero molto grandi. (iv) Utilizzo di materiali piezoelettrici non-ferroelettrici e non-piroelettrici come la langasite e il fosfato di gallio. Lo svantaggio è una sensibilità circa 100 volte inferiore rispetto alla famiglia PZT. (v) Sviluppo di packaging dedicati alla riduzione degli effetti piroelettrici (come ad esempio l utilizzo di deformazioni di taglio dell elemento sensibile sfruttando il modo d51). Fig Schema dispositivo a nanofili orientati piezoelettrici. Oltre allo studio di nuovi materiali vengono analizzati gli effetti della nanostrutturazione e la compatibilità con tecniche di fabbricazione dei sensori a basso costo come screen printing e sol gel. E particolarmente promettente il tentativo di ridurre la mobilità dei domini mediante il confinamento dimensionale in strutture nanometriche. Vengono utilizzate matrici in allumina porosa come strutture templanti. I nanofili piezoelettrici vengono realizzati mediante tecniche sol-gel, impregnando con soluzioni di PZT la struttura templante di allumina. Vengono successivamente evaporati gli elettrodi metallici ottenendo il dispositivo schematizzato in fig. 10. Una sezione di allumina nanoporosa è riportata in fig.11. Oltre all effetto del confinamento dimensionale sulle caratteristiche ferroelettriche è in fase di studio il comportamento ottico delle strutture periodiche piezoelettriche per verificare la fattibilità di cristalli fotonici adattativi Fig.11 - Allumina nanostrutturata. Conclusioni L impatto delle tecnologie MEMS-NEMS può essere visto su scale di tempo differenziate. A breve medio termine saranno disponibili componenti e materiali che consentiranno di controllare e ottimizzare sistemi esistenti, come ad esempio sensori per la misura a bordo veicolo delle emissioni o di parametri fisici rilevanti come il 13

16 tr I C E R C A & S V I L U P P O ciclo di pressione in camera di combustione, integrando tecniche di microlavorazione classiche e tecniche di autoassemblaggio. A medio termine le tecnologie MEMS-NEMS potranno diventare abilitanti per sistemi più complessi al momento non fattibili. A lungo termine si avrà lo sviluppo di tecniche di fabbricazione innovative che ridurranno l impatto ambientale dell industria manufatturiera in generale e automobilistica in particolare. Il punto di arrivo non potrà prescindere da nuove basi concettuali e da un terreno teorico comune che porti alla riduzione o eliminazione della distanza che oggi si pone tra le scienze dure, come matematica, fisica, chimica e le scienze della vita. Rirerimenti [1] Stan Augarten, Putting the Planar Process to Good Use. The First Planar IC, ISBN , 1961 [2] H.C. Nathanson, W.E. Newell, R.A. Wickstrom, J.R. Davis, Jr., The resonant gate transistor, Electron Devices, IEEE Transactions on. 1967, Volume: 14, Issue: 3, ISSN: [3] CE Flynn, SW Lee, BR Peelle, AM Belcher, Viruses as vehicles for growth, organization and assembly of materials. Acta Materialia, 2003, Page 1. Acta Materialia 51 (2003) [4] M.Pizzi, V. Koniachkine. Electrostatic microshutter-micromirror array for light modulation systems SPIE vol. 3878, [5] Marco Pizzi, Omar De Martiis, Valentina Grasso, Fabrication of self assembled micro reservoirs for controlled drug release Biomedical Microdevices, 6,2; , 2004 [6] K. Kubota, et al, Self-assembly of microstage using micro-origami technique on GaAs, Jpn. J. Appl. Phys. 42, pp , Contatti Marco Pizzi Advanced Manufacturing & Materials, Centro Ricerche Fiat Strada Torino 50, Orbassano (TO), ITALY Tel Fax: marco.pizzi@crf.it 14

17 R I C E R C A & S V I L U P P O t Nanomedicine: drug delivery by microemulsions and solid lipid nanoparticles Maria Rosa Gasco Nanovector S.r.l. Introduction Microemulsions are clear, liquid systems. thermodynamically stable as their interfacial tension is near to zero. They are constituted of oil, water, surfactant and co-surfactant. Their nanodroplets have a mean diameter lower than 150 nm and work as reservoir of drugs or diagnostic. Nanovector has specific expertise on microemulsions, both at room temperature and at warm temperature. Microemulsions at room temperature Sustained releases of drugs are obtained by microemulsions: they can be proposed for transdermal and subcutaneous administration. The components are biocompatible, as phospholipidis are normally used as surfactants and short chain fatty acids or biliar salts as cosurfactant. A water in oil microemulsion (1) and an aqueous solution, both carrying pertechnetate, were injected subcutaneously in rabbits; release was observed by imaging the administration sites with a gamma camera. Disappearance from the injection site of pertechnetate in aqueous solution was about ten times faster than the one obtained by microemulsion, meaning that a sustained release can realised. A microemulsion containing apomorphine (APO-MTD)(2), a drug used by parenteral route in Parkinson s disease (PD), was administered by transdermal route to 21 PD patients; therapeutic plasma levels for many hours were provided and reduced total duration of off periods was obtained. (Fig. 1) Solid Lipid Nanoparticles Solid Lipid Nanoparticles are named SLNs and are mainly constituted of lipids. The SLNs produced according to Nanovector s technical platform are obtained from warm microemulsions; the oil phase, in this case, is represented by lipids at a relatively low melting point such as fatty acids and triglycerides. As surfactants phospholipids are normally used while as cosurfactants short chain fatty acids or biliar salts can be employed. The warm microemulsion is then quenched in cold water at 2-3 obtaining the spherical SLNs that are the solidified droplets of the warm microemulsions. SLNs dispersions are successively washed with water by tangential filtration and eventually concentrated; SLNs can be freezedried and can be in most of cases heat sterilised. Hydrophilic and hydrophobic molecules can be incorporated in SLNs, following different preparation methods. The components of the warm microemulsions are biocompatible. (Fig. 2) apomorphine plasma levels (ng/ml) Apo-MTD Apomorphine s.c Hours Fig. 1 - Comparison of apomorphine plasma concentration-time profile after Apo-MTD application (mean) and after apomorphine 3 mg administered by subcutaneous route [HPLC method]. Time 0: Apo-MTD application; hour 12: Apo-TD removal. Fig. 2 - FESEM micrograph of SLNs (Politecnico of Torino, Dip. Fisica Dr. Chiodoni, Dr. Descrovi) SLNs can carry drugs of different structure and hydrophobic/hydrophilic nature such as cyclosporine, doxorubicin, tobramycin, steroids, peptides, antisense oligonucleotides, etc. Also diagnostics have been incorporated in SLN (3). SLNs carrying drugs have average diameter between 80 and 200 nm, according to the amount and the structure of the incorporated molecule, (of) its molecular weight, (of) the components of the warm microemul- 15

18 tr I C E R C A & S V I L U P P O sions. By administration of drug loaded SLNs in animal models, sustained release of loaded drug has been usually observed. A particular hydrophobic matrix, cholesteryl butyrate, chosen to obtain Chol-but SLN, directly works as prodrug of butyric acid, a weak histone deacetylase inhibitor, suggesting other possible SLNs approach in drug delivery. Uptake of SLNs by cells Loaded and unloaded SLN are internalised into cells within few minutes. Different studies were performed on neoplastic cells: SLN carrying paclitaxel or doxorubicin or SLN constituted of cholesteryl butyrate, used as prodrug of butyrate. For all kinds of SLN the cytotoxicities are greatly enhanced compared to the ones of the reference drug in solution. Different cell lines were tested: human glioma cell, human melanoma cells, leukaemia, retinoblastoma cells, histiocytic lymphoma, MCF 7, human colorectal adenocarcinoma HT29. In Fig. 3 the enhanced cytotoxycity of Chol-but SLNs in human glioma cells vs butyrate is reported (4). extend the residence time. Same amounts of drug-free SLNs stealth and non stealth were administered IV to rats to evaluate their transport across the blood-brain-barrier and their distribution. The cerebrospinal fluid (CSF) was then analysed by transmission electron microscopy (TEM); both types of SLN were present in the biological fluid 20 min after intravenous administration (6), stealth SLN in bigger amount. (Fig. 4) Doxorubicin non-stealth and stealth SLNs at increasing amounts of stealth agent have been administered IV to Rabbits vs doxorubicin solution, that doesn t reach the brain while small amounts of Doxorubicin non-stealth-sln reaches the brain. Doxorubicin stealth SLN reach the brain in higher amounts than non-stealth SLNs and at increasing concentrations depending on employed amount of stealth agent (7). Fig. 3 - Cytotoxicity comparison - Sodium butyrate Vs Chol-But SLN 72 hours exposure - Glioma cell lines The behaviour of doxorubicin in different formulations (solution, pegylated liposomes (Caelix), SLNs), in three human cancer cell lines was followed: higher cytotoxicity of SLNs compared with those of other formulations was shown, due to a greater uptake and intracellular accumulation (5). Chol-But SLNs were also proved to have high anti-inflammatory activity: they are able to inhibit adhesion of human neutrophils to endothelial cells, with more enhanced activity than sodium butyrate (7) SLN have been tested in animal models by different administration routes: intravenous, duodenal and ocular Intravenous route For intravenous administration SLN can be prepared Stealth to avoid the recognition by Reticulo Endothelial System (RES) and to Fig. 4 - TEM micrograph of Cerebrospinal Fluid - 20 minutes after I.V. adm. to rats Duodenal administration Oral delivery is the easiest and most convenient route for drug administration, but many drugs are not administered orally because they are not absorbed or are degraded in the gastrointestinal tract. In the last years much effort has been made to achieve lymphatic targeting of drugs using colloidal carriers. Drug-unloaded SLN, labelled and unlabelled (average diameter 16

19 R I C E R C A & S V I L U P P O t 80 nm) were administered intraduodenally to rats; TEM analysis evidenced SLN in lymph and blood. Invivo experiments with radiolabelled SLNs confirmed presence of SLN in lymph and in blood. Tobramycin, a drug not absorbed at the gastrointestinal level and till now administered only by parenteral route, was incorporated in SLN and duodenally administered to rats: a transmucosal transport was obtained. Therefore SLNs containing three different percentages of tobramycin were prepared and fixed doses (5 mg/kg) of tobramycin were intraduodenally administered to rats. The pharmacokinetic parameters varied considerably with the percentage of Tobramycin loaded in SLNs, being different the number of SLN administered, the mean diameter, the total surface area, and the drug content in each nanoparticle. TEM analysis showed not only that Tobramycin-SLNs are targeted to lymph, but also that 21 hours after duodenal administration SLN are still present in the mesenteric lymph nodes. Ocular administration Also the ocular administration in rabbits of drug-sln dispersions, used as eye-drops, was performed. The dispersions are not irritant, cause neither watering nor conjunctival reddening. The area under the curve (AUC) of tobramycin in aqueous humour, determined for six hours, was much more higher than that obtained with the commercial form. Nanovector srl NANOVECTOR (NV) has been funded in 2001, starting its working activity in October NV has specific skill in the research and development of colloidal carriers, such as Solid Lipid Nanoparticles (SLNs) and Micro-emulsions. Actually the staff consists in a professor and 4 graduates in Chemistry and Pharmaceutical Technology (CTF) and one engineer. Contact researchers are present depending on specific projects. The company is equipped with apparatus required to develop on bench scale preparation of micro-emulsion and Solid Lipid Nanoparticles, to characterise them for size, poly-dispersity index, zeta potential, and for chemical analyses. NV has in its facilities a working clean-room (class A) for study of pharmaceutical process development in sterile condition. NV has actually several patents relative to Solid Lipid Nanoparticles (SLNs) obtained from warm oil in water (O/W) and water in oil in water (W/O/W) micro-emulsions. NV has also a great expertise in the field of micro-emulsions prepared at room temperature. Company s core business is to apply and commercialise SLN technology for drug delivery in pharmaceutical fields and in special foods. NV is well connected to many academic institutions including the universities of Piedmont (University of Torino, University of Eastern Piedmont, Politecnico of Torino, Università di Milano Bicocca, Policlinico di Milano) a new treatment in Parkinson s disease, Mov. Disorders 19, , ) Peira et al., In Vitro and in Vivo study of Solid Lipid Nanoparticles loaded wih superparamagnetic iron oxide, J. Drug Targeting 11, 19-24, ) Brioschi A. et al., Butyric acid cholesterol ester nanospheres for glioma therapy: in vitro and in vivo study in a rat cerebral glioma model, J. Neurol. 251 (Suppl3), III/11, ) Serpe L. et al. Intracellular accumulation and cytotoxycity of doxorubicin with different pharmaceutical formulations in human cancer cell lines, J. Nanosci. Nanotechnol. 6, , ) Dianzani et al., Cholesteryl butyrate solid lipid nanoparticles inhibit adhesion of human neutrophils to endothelial cells, Br. J. Pharmacol., 148, , ) Podio V. et al., Biodistribution of stealth and non-stealth solid lipid nanospheres after intravenous administration to rats, J. Pharm. Pharmacol., 52, , ) Zara GP. et al. Intravenous administration to rabbits of non-stealth and stealth doxorubicin loaded solid Lipid Nanoparticles at increasing concentration of Stealth agent: pharmacokinetics and distribution of doxorubicin in brain and other tissues, J. Drug Targeting 10, , ) Bargoni A. et al., Solid Lipid Nanoparticles in Lymph and Plasma after duodenal administration to rats, Pharm. Res., 15, , ) Cavalli R. et al., Duodenal administration of solid Lipid Nanoparticles loaded with different percentages of tobramycin, J. Pharm. Sci. 92, , 2003 Contact Maria Rosa Gasco c/o Environment Park, via Livorno TORINO Tel : maria.gasco@nanovector.it Bibliography 1) Bellò M. et al., Pertechnetate release from a water /oil microemulsions and an aquoeus subcutaneous injection in rabbits, J. Pharm. Pharmacol., 46, , ) Priano L. et al., Transdermal apomorphine pemeation from microemulsions; 17

20 tr I C E R C A & S V I L U P P O Nanotecnologie e tessili: possibili applicazioni e sviluppi dei materiali nanocompositi nel settore del tessile Jenny Alongi, Giovanni Camino, Alberto Frache, Andrea Castrovinci Centro di Cultura per l Ingegneria delle Materie Plastiche c/o Politecnico di Torino sede di Alessandria Introduzione Le imprese italiane che operano nel settore del tessile hanno bisogno di un supporto che le possa agevolare nello sviluppo delle potenzialità presenti al fine di migliorare l immagine esterna e la qualità dei prodotti promuovendo una politica di incentivazione delle esportazioni sui mercati esteri. Per affrontare la concorrenza sempre più incalzante dei Paesi extraeuropei e per sostenere l impatto derivante dalla rimozione delle quote all importazione previste dall Accordo sul tessile (ATC) WTO del 1 gennaio 2005, non è più sufficiente puntare su fattori di costo. Lo sforzo di abbattere i costi porta ad una erosione dei margini di guadagno dell impresa che ne limita le capacità di investimento e di crescita. Alla luce di tale analisi, sembra piuttosto evidente l urgenza di un ulteriore sforzo da parte delle imprese italiane di basare la loro competitività sulle capacità di innovare, progettare, produrre e distribuire nuovi prodotti ad alto valore aggiunto, puntando su fattori quali la qualità, l innovazione, il design e la multifunzionalità. Nell ambito di questo scenario, i materiali nanocompositi a matrice polimerica rispondono alle esigenze e alle caratteristiche di nuovi materiali multifunzionali con grandi potenzialità nel settore dei tessili. Grazie ai numerosi progressi conseguiti in questi ultimi anni nella scienza dei materiali, è possibile conferire al tessile nuove caratteristiche per applicazioni funzionali e ad alto contenuto tecnologico. Infatti, i nanocompositi permettono di ottenere materiali (per esempio antifiamma, antibatterici, antiodore, anti UV, antistatici, anti onde elettromagnetiche, ecc.) che consentono la riduzione dei rischi, oltre che avere funzioni di termoregolazione corporea, avere effetti visivi, azione cosmetica o medicale e tanti altri ancora. Attualmente, il mondo scientifico e industriale sta focalizzando la propria attenzione e i propri sforzi sulla possibilità di sfruttare le nanotecnologie per applicazioni nel settore del tessile. Il paese che ha il maggior numero di pubblicazioni e brevetti (ca. 33%) relativi ad applicazioni delle nanotecnologie è la Cina, ma fra i primi dieci paesi al mondo che stanno lavorando in tale direzione vi sono anche Corea e Hong Kong. Di tale gruppo l Italia rappresenta il fanalino di coda (ca. 1% delle pubblicazioni) insieme a Colombia, Polonia e Svizzera. Come viene evidenziato da TexClubTec [1] l impegno da parte del governo cinese nel settore del tessile tecnico/innovativo e nell evoluzione del settore Fibre risulta notevole sia a livello di pubblicazioni e brevetti sia a livello di investimenti economici. Questi ultimi sono focalizzati preferenzialmente sulla messa a punto e realizzazione di nuovi tessuti innovativi per l abbigliamento protettivo, l abbigliamento sportivo e le calzature per sport, l arredamento, la filtrazione industriale e l edilizia. Alla luce di tale panorama, Aldo Tempesti della TexClubTec [1] stimando una penetrazione del 20% di nanotessili in determinati segmenti di mercato afferma che per il 2010 il valore dei prodotti derivanti dalle nanotecnologie sarà valutabile intorno ai 12 miliardi di dollari. Si ritiene, inoltre, che tale mercato con i relativi servizi porterà alla creazione di due milioni di posti di lavoro nei prossimi anni. Fibre tessili Da millenni l uomo utilizza prodotti naturali con matrice fibrosa per trasformarli in filati dai quali ottenere tessuti per i più svariati utilizzi (per coprirsi, per adornarsi, per ostentare il proprio stato sociale ed economico). Le fibre tessili naturali più importanti sono la seta, il lino, la lana e il cotone. Le fibre tessili chimiche, invece, sono il frutto della tecnologia e si classificano in: fibre sintetiche; fibre artificiali. Le fibre sintetiche sono dei materiali filamentosi polimerici ottenuti industrialmente a partire da sostanze più semplici provenienti generalmente dall industria petrolchimica. Solitamente tali fibre possono essere ottenute mediante: Polimerizzazione per addizione. Le principali fibre prodotte con questo processo sono le polipropileniche, le viniliche e le acriliche; Polimerizzazione per condensazione. Le principali fibre prodotte con questo processo sono le poliestere e le poliammidiche. Le fibre artificiali sono basate sulla modifica chimica dei polimeri che costituiscono le fibre naturali. Il polimero diventa fibra in seguito alle operazioni di filatura e di stiro. La filatura consiste nel far passare, a pressione, il polimero fuso o disciolto in opportuni solventi, attraverso filiere provviste di fori calibrati per ridurlo in fili sottili di lunghezza indefinita; questi fili vengono fatti coagulare per raffreddamento o per immersione in liquidi speciali (coagulanti). Per la filatura si possono impiegare tre metodi: filatura per fusione, filatura a umido e filatura a secco. Nella filatura per fusione il polimero viene riscaldato sino alla fusione, spinto a pressione nella filiera e coagulato per semplice raffreddamento. La filatura a umido si esegue sul polimero sciolto in adatto solvente; questa soluzione, molto viscosa, viene spinta contro la filiera ed il filo è coagulato in un bagno nel quale il polimero risulta insolubile. La filatura a secco è analoga alla precedente ma la coagulazione avviene in una camera percorsa da un gas riscaldato, per semplice evaporazione del solvente. Accanto a tali tecniche recente- 18