Nanotecnologia e computer

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1 anotecnologia Al giorno d oggi si parla molto di nanotecnologia, cioè di una tecnologia nuova che progetta ed utilizza oggetti di dimensioni nanometriche (1 nanometro = 1 miliardesimo di metro) Questa presentazione ha lo scopo di illustrare i concetti che stanno alla base della nanotecnologia e di dimostrare la sua grande potenzialità, delineando alcune affascinanti e future applicazioni

2 anotecnologia e computer Uno dei campi di applicazione della nanotecnologia riguarda la ulteriore miniaturizzazione dei computer per renderli sempre più compatti, potenti e a basso consumo energetico

3 EIAC: il primo computer elettronico (1944) Peso: ca. 30 t Elementi: valvole Consumo: 200 kw

4 Computer Elettronici (2004) Peso: ca. 5 kg Elementi: 55 milioni di transistors (pentium 4) Consumo: ca. 100 W Dimensione min. degli elementi: ca. 100 nm La parola d ordine è quindi MIIATURIZZAZIE!

5 Miniaturizzazione dei componenti elettronici: la legge di Moore La miniaturizzazione può andare avanti all infinito?

6 Un ulteriore miniaturizzazione è possibile solo se si costruiscono componenti di dimensioni nanometriche, che sono le dimensioni delle molecole La Chimica, che si occupa di atomi e di molecole, gioca un ruolo fondamentale, come aveva intuito molti anni orsono il Premio obel Richard Feynman

7 Miniaturizzazione What are the possibilities of small but movable machines? [...] What would be the utility of such machines? Who knows? [...] I cannot see exactly what would happen, but I can hardly doubt that when we have some control of things on a molecular scale we will get an enormously greater range of possible properties that substances can have, and of the different things we can do. Richard Feynman R. P. Feynman Discorso alla Società Americana di Fisica Dicembre 1959

8 anotecnologia non solo per i computer La miniaturizzazione non è importante solo per i computer, ma anche per preparare nuovi materiali più leggeri, più resistenti, capaci di svolgere funzioni e di comunicare con l uomo attraverso opportuni segnali. In altre parole, materiali intelligenti da utilizzare nei campi più svariati (medicina, ambiente, costruzioni, trasporti, comunicazioni) Il raggiungimento di questo risultato richiede un cambiamento di metodologia in quanto le strutture nanometriche non si possono ottenere miniaturizzando dall alto, ma costruendo dal basso

9 Materiali macroscopici approccio dall alto MICRSTRUTTURE (>100 nm) (ad es. microcircuiti) ASTRUTTURE (1-100 nm) nuove tecnologie per l informatica, la medicina, la scienza dei materiali, ecc. Molecole approccio dal basso

10 L approccio dal basso (bottom up) alla costruzione di strutture sulla scala dei nanometri è stato possibile grazie agli enormi passi avanti compiuti in molti campi della chimica Ricordiamo in particolare: i grandi progressi nella chimica di sintesi lo sviluppo della chimica supramolecolare l invenzione di nuove tecniche di indagine

11 I grandi progressi nella chimica di sintesi I chimici sono oggi in grado di sintetizzare molecole di qualsiasi tipo e forma Ad esempio, alcune molecole hanno forme affascinanti che ricordano quelle degli oggetti macroscopici e delle strutture artistiche che incontriamo nella vita quotidiana

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14 Lo sviluppo della Chimica Supramolecolare La chimica supramolecolare si può definire come la chimica oltre la molecola; essa si occupa delle entità organizzate che si ottengono dall associazione di due o più molecole Una supermolecola è quindi una struttura chimica ben definita e organizzata, costituita da almeno due molecole (componenti) legate tra loro + H H H H H H H H H H H H

15 Chimica Supramolecolare e Sistemi Biologici H P H 2 C base H P H 2 C H CH 3 H T H Mononucleotide H P H 2 C H P H 2 C H P H 2 C H P base base base H P H 2 C H H P H 2 C H H P H 2 C H H H H H H H C H H H H A G

16 Il mestiere del Chimico noi chimici montiamo e smontiamo delle costruzioni molto piccole. Ci dividiamo in due rami principali, quelli che montano e quelli che smontano, e gli uni e gli altri siamo come dei ciechi con dita sensibili. Dico come dei ciechi, perché appunto, le cose che noi manipoliamo sono troppo piccole per essere viste, anche coi microscopi più potenti; e allora abbiamo inventato diversi trucchi intelligenti per riconoscere senza vederle. Primo Levi La chiave a stella

17 L invenzione di nuove tecniche di indagine ggi il chimico è in grado di vedere, toccare e manipolare le singole molecole, tanto da usarle come mezzo per una nanoscrittura le cui lettere hanno le dimensioni del miliardesimo di metro

18 Vedere, toccare e manipolare le singole molecole Immagine ottenuta con un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) di un singolo atomo di Xenon depositato su una superficie di ickel(110) Fonte: IBM Research Labs, Almaden La data celebrativa del nuovo millennio è stata ottenuta posizionando 47 molecole di ossido di carbonio, C, su una superficie di rame, mediante tecniche di microscopie a sonda Fonte: ChemPhysChem, 2, 2001, pag. 362

19 Il chimico ingegnere a livello molecolare L ambizioso progetto dei chimici è quello di costruire congegni, dispositivi e macchine a livello molecolare capaci di svolgere funzioni utili Si tratta di una vera e propria ingegneria a livello molecolare

20 anotecnologia La nanotecnologia deriva dal connubio tra il talento sintetico dei Chimici ed una mentalità di tipo ingegneristico Roald Hoffmann

21 Congegno macroscopico componenti macroscopici congegno macroscopico Congegno molecolare componenti molecolari sistema supramolecolare atti semplici funzione complessa

22 Un congegno molecolare è un insieme ordinato di componenti molecolari (cioè una struttura supramolecolare) in grado di svolgere una funzione quale risultato della cooperazione di atti semplici compiuti da ciascun componente molecolare Una macchina molecolare è un tipo di congegno molecolare in cui i componenti molecolari si possono muovere uno rispetto all altro in seguito all azione di uno stimolo proveniente dall esterno I congegni e le macchine a livello molecolare hanno gli stessi requisiti e le stesse caratteristiche dei loro analoghi macroscopici (ad esempio, necessitano di energia per funzionare)

23 anotecnologia e Stato Attuale della Ricerca Anche se le applicazioni sono ancora lontane, sono già stati ottenuti dispositivi a livello molecolare capaci di imitare le funzioni compiute dai componenti delle apparecchiature macroscopiche : fili in grado di condurre elettroni o energia interruttori per permettere o proibire questi flussi sistemi presa/spina e prolunga rettificatori di corrente elementi di memoria porte logiche, etc. Inoltre, sono state costruite macchine di dimensioni nanometriche che sono capaci di compiere a comando movimenti meccanici di vario tipo

24 Un sistema presa/spina molecolare H acido + nessuna interazione base + CH 3 H acido (C F SH) 3 3 "plug in" "plug out" base (Bu ) 3 H 3 C hν H H + trasferimento di energia hν presa spina

25 Un pallottoliere molecolare _ H + + H + Stazione ammonio Stazione bipiridinio H H H

26 anotecnologia fra Fantascienza e Scienza

27 anotecnologia e Etica La nanotecnologia, così come qualsiasi altro tipo di tecnologia, deve essere usata: Per la pace e non per la guerra Per alleviare la povertà e non per mantenere i privilegi Per ridurre e non per aumentare il divario tra paesi ricchi e paesi poveri