Quaderni di Città dei Mestieri. Lavorare con le. Nanotecnologie. città. dei Mestieri. di Milano e della Lombardia

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1 Quaderni di Città dei Mestieri Lavorare con le Nanotecnologie città dei Mestieri di Milano e della Lombardia 1

2 I testi sono stati realizzati da Sabrina Sicolo e Umberto Martinez, dottorandi in Scienze Chimiche e in Scienza dei Materiali presso l Università degli Studi di Milano Bicocca, con la consulenza del prof. Gianfranco Pacchioni, direttore del Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università degli Studi di Milano Bicocca. Editing a cura di Città dei Mestieri di Milano e della Lombardia. 2 Introduzione Gli oggetti sono costituiti da atomi, e il modo in cui gli atomi sono aggregati ha dirette ed importanti conseguenze sulle proprietà macroscopiche di tali oggetti. La possibilità di agire in maniera controllata su scala atomica modulando le proprietà di un oggetto ne determina la funzionalità specifica in quanto materiale e non più semplice oggetto. La nanotecnologia è la disciplina che permette di comprendere e intervenire sui processi che regolano l aggregazione di atomi o molecole al fine di produrre materiali con proprietà uniche e spesso innovative, in accordo con le esigenze tecnologiche. L emergere di proprietà inaspettate, anche in materiali di utilizzo quotidiano, si basa sull evidenza sperimentale che riducendo le dimensioni di un sistema, esso assume comportamenti completamente diversi e a volte anti-intuitivi sulla base della nostra esperienza macroscopica. Ciò è dovuto al fatto che man mano che si scende verso una scala microscopica, le leggi della fisica classica vengono a cadere, e si entra nel campo della meccanica quantistica. Gli esempi sono molteplici, come si avrà modo di constatare. Un po di storia Una breve cronistoria delle nanotecnologie può essere fatta cominciare nel 1959, quando Richard Feynman suggerì per la prima volta il concetto di nanotecnologia: Quello di cui voglio parlare è la questione di poter manipolare e controllare gli oggetti su scala minuscola [...] non discuterò come lo si possa fare, ma solo che è possibile in linea di principio, ossia in accordo con le leggi della fisica. Fu solo nel 1974, però, che Norio Taniguchi coniò il termine nanotecnologia, distinguendo un nuovo livello applicativo su scala, appunto, nanometrica: 1 nanometro (nm) equivale ad un miliardesimo di metro (per confronto, un capello ha lo spessore di nm). Gli anni 80 diedero un notevole contributo alle scoperte in ambito nanotecnologico. Nel 1981 si deve a Gerd Binnig e Heinrich Rohrer dell IBM di Zurigo l invenzione che valse loro il premio Nobel per la fisica nel 1986 del microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), uno strumento capace, per la prima volta, di fornire immagini a risoluzione atomica. Nel 1985 il gruppo di Richard Smalley alla Rice University (Texas) identificò una molecola costituita da 60 atomi di carbonio, il fullerene una sorta di pallone da calcio su scala nanometrica destinato a diventare il capostipite di una nuova classe di materiali: i nanotubi. Per questa scoperta, Smalley, Harold Kroto e Robert Curl ricevettero il premio Nobel per la chimica nel Del 1986 è l invenzione di uno strumento analogo al STM, ma di più ampia applicazione: il microscopio a forza atomica (AFM). Nel 1989 il STM diventa uno strumento di manipolazione, oltre che di visualizzazione, degli atomi: grazie all utilizzo 3

3 della punta del microscopio come una minuscola pinza, lo scienziato Don Eigler fu in grado di riprodurre il logo dell IBM posizionando uno alla volta degli atomi di xenon su una superficie di nichel. L avvento delle nanotecnologie come risorse per l elettronica fu previsto, in tempi non sospetti, nel 1965, quando lo scienziato Gordon Moore, co-fondatore della Intel, pronosticò che il numero di transistor in un circuito integrato proporzionale alla potenza computazionale dei pc sarebbe raddoppiato sistematicamente ogni 18 mesi. Questa predizione, che si è rivelata sorprendentemente veritiera e precisa, è stata ribattezzata legge di Moore. Nel 1965 un singolo chip alloggiava 30 transistor; solo sei anni più tardi il primo chip prodotto dalla Intel ne conteneva Oggi i chip contengono milioni di transistor le cui dimensioni sono dell ordine di 100 nm. Siamo tutti in grado di verificare la validità della legge di Moore quotidianamente: basti prestare attenzione a come, nel mercato dell elettronica, ci sia un continuo rinnovo di prodotti e tecnologie, e come un prodotto estremamente avanzato in un dato momento diventi obsoleto già dopo pochi mesi, con il conseguente calo di prezzi associato. Top-down e bottom-up A questo approccio, che scalando le dimensioni dei componenti dal macroscopico al microscopico viene denominato top-down, se ne giustappone un altro che si basa sulla filosofia inversa: creare strutture nanometriche in seguito all organizzazione spontanea di unità costitutive (auto-assemblamento) quali atomi o molecole. Questo approccio è denominato bottom-up. L approccio bottom-up trova applicazione principalmente, ma non solo, nell ambito delle nanotecnologie organiche. Un esempio di sistemi auto-assemblanti sono i cristalli liquidi, che trovano larghissimo impiego nella fabbricazione di schermi piatti ad elevata risoluzione e brillanza. L auto-organizzazione e l approccio bottom-up trovano un riscontro già in natura, in tutte le strutture biologiche, dal DNA alle pareti cellulari, soddisfacendo i requisiti di ordinamento, riproducibilità e dimensioni che contraddistinguono i dispositivi nanotecnologici. Ed è proprio volendo imitare la natura che è nata la sfida di realizzare strutture artificiali in grado di organizzarsi spontaneamente e svolgere alcune funzioni elementari come quelle meccaniche. La prima allusione alla possibilità di creare simili sistemi fu ventilata nel 1986 da Eric Drexler nel suo libro I motori della creazione, dove l autore ragionava sulla possibilità fisica di realizzare automi nanometrici in grado di espletare semplici funzioni meccaniche. Oggi, molecole organiche artificiali come i rotaxani sono in grado di agire da nano-ascensori se sottoposti ad un opportuno stimolo quale un campo elettrico. Un recente esempio di studio mosso da paragoni con la natura è la realizzazione di materiali adesivi basati sulle stesse interazioni che intercorrono tra le zampe di un geko e quasi tutte le superfici esistenti, naturali o artificiali. 4 Ma l attuale ricerca in ambito nanotecnologico è anche volta a migliorare le prestazioni di materiali e processi sintetici noti già da tempo. È il caso della vulcanizzazione, processo di lavorazione della gomma durante il quale essa viene legata chimicamente allo zolfo mediante riscaldamento. Attraverso questo processo, scoperto casualmente da Charles Goodyear nella prima metà del XIX secolo, si ottiene un materiale con proprietà meccaniche (elasticità, resistenza all usura,...) migliori rispetto a quelle dei suoi precursori. Oggi, molte tra le proprietà salienti degli pneumatici sono dovute alle cosiddette cariche, piccole quantità di sostanze inorganiche aggiunte alla mescola polimerica in fase di realizzazione dello pneumatico stesso. Queste dispersioni di materia inorganica in matrice polimerica sono denominate nanocompositi. Abbiamo già accennato al fatto che la riduzione sistematica delle dimensioni si accompagni a nuove ed esotiche proprietà chimico-fisiche, spesso non prevedibili o addirittura controintuitive. Conosciamo tutti l inerzia chimica dell oro, che proprio per questa proprietà è utilizzato da sempre in oreficeria. Ebbene, nanoparticelle di oro dimostrano una sorprendente attività catalitica (un catalizzatore è una sostanza in grado di promuovere determinate reazioni che normalmente sarebbero poco efficienti), sfruttabile, ad esempio, per l abbattimento dell inquinamento. In tutt altro settore, le nanotecnologie stanno rivelando le loro potenzialità per lo sviluppo di prodotti farmaceutici. Grazie alle loro dimensioni, le nanoparticelle sono in grado di migrare all interno di un organismo senza essere neutralizzate dagli anticorpi, e agire quindi da traccianti per il rilevamento diagnostico in vivo di particolari cellule target. Appare quindi chiaro come le nanotecnologie siano il simposio di diverse discipline e ambiti scientifici (fisici, chimici, biologici), accomunati da una peculiarità: la curiosità nell avvicinarsi ad un mondo infinitamente piccolo, che è sempre stato intorno e dentro di noi, ma che paradossalmente ci è del tutto sconosciuto proprio perché al di fuori della nostra esperienza quotidiana. L esplorazione di questo mondo ha già rivelato molte potenzialità, e lo sforzo della comunità, scientifica e non, deve essere volto a una maggiore comprensione e accettazione degli strumenti che l infinitamente piccolo ci offre. 5

4 Il percorso professionalizzante Come è emerso dall introduzione, le Nanotecnologie non sono una scienza nuova che si aggiunge alle discipline accademiche più tradizionali in funzione di un processo di specializzazione più avanzata; al contrario si tratta piuttosto di un modo di conciliare discipline apparentemente indipendenti: le nanotecnologie sono una disciplina altamente interdisciplinare. Le nanotecnologie poi possono contribuire in svariati settori: sono chiamate tecnologie abilitanti proprio perché rendono possibile operare su una gamma ampia di differenti campi. Possono contribuire ai processi produttivi, ai controlli ambientali, alla sicurezza che oggi è diventata una priorità. Si hanno così nanotecnologie per i materiali, per l elettronica, per le applicazioni biologiche e medico-sanitarie, per l ambiente, per i processi chimici. Assecondando l interdisciplinarietà suggerita da questo quadro, una scelta naturale per chi intende avvicinarsi in modo professionale alle nanotecnologie ricade sulla scienza dei materiali, un compendio di conoscenze fisiche e chimiche finalizzato a fornire le competenze necessarie alla comprensione e manipolazione delle proprietà dei materiali. La scienza dei materiali è una disciplina relativamente giovane in Italia, ma vanta una tradizione pluridecennale in Europa. Il percorso formativo tende a dare una vasta panoramica sulle tipologie di materiali e le loro applicazioni (polimeri, semiconduttori, metalli, ceramici, materiali organici,...) ponendo l accento sui meccanismi microscopici che ne determinano le proprietà. Ed è qui che entrano in gioco le competenze di fisica (struttura della materia a livello atomico), di chimica (sintesi in laboratorio) e ingegneria (proprietà macroscopiche e applicazioni). Il corso di laurea in scienza dei materiali non è però l unico in grado di fornire competenze nanotecnologiche. Abbiamo visto che le nanotecnologie sono altamente interdisciplinari, e corsi di laurea in fisica, chimica, ingegneria e in taluni casi anche biotecnologie possono condurre ad un attività di ricerca nell ambito delle nanotecnologie. In linea di principio, il percorso formativo ideale prevede l acquisizione della laurea di primo livello e di quella specialistica, oltre che di uno specifico corso triennale di dottorato; attualmente su tutto il territorio italiano esistono almeno quattro corsi di dottorato rivolti esplicitamente alle nanotecnologie, e altri quindici che prevedono attività attinenti. Le diverse discipline confluiscono verso le nanotecnologie secondo percorsi distinti. Per esempio, la fisica dei materiali e dei semiconduttori procede con un processo di progressiva riduzione della dimensione degli oggetti di studio che parte dalla scala macroscopica: quella tangibile che si percepisce nell esperienza comune. Un esempio è la miniaturizzazione in elettronica, oltre la quale si entra nella dimensione nanometrica con un processo che va dal grande al piccolo (l approccio topdown). La chimica è da sempre considerata la scienza delle molecole. Le molecole organizzate al fine di svolgere una funzione non convenzionale portano il chimico a dialogare con i saperi del fisico relativamente all organizzazione funzionale di molecole (approccio bottom-up). La biologia, come abbiamo visto, fornisce spesso l ispirazione alla logica e alla dinamica delle nanotecnologie: per questo i biologi possono dare un valido contributo. E ancora, tutte le volte che le nanotecnologie si scontrano con problemi strettamente applicativi occorre la competenza degli ingegneri. 6 7

5 Il percorso formativo ideale Lauree di I livello Con la riforma della formazione universitaria, sono state attivate numerose classi di laurea di primo livello in ambito chimico, fisico, matematico, ingegneristico e biotecnologico: Scienze e tecnologie chimiche (classe 21) Scienze e tecnologie fisiche (classe 25) Ingegneria dell Informazione (classe 9) Ingegneria industriale (classe 10) Biotecnologie (classe 1) I corsi di laurea attivati all interno di queste classi hanno durata triennale ed hanno l obiettivo di assicurare il raggiungimento di un adeguata preparazione teorica e pratica nei relativi ambiti scientifici per poter poi operare nel settore delle nanotecnologie. Gli studenti, alla fine del triennio, possiedono in riferimento allo specifico settore scelto: un adeguata conoscenza degli aspetti di base, teorici e sperimentali; capacità di utilizzare competenze operative e di laboratorio e adeguate metodologie di indagine in relazione ai problemi applicativi; adeguate competenze e strumenti per la comunicazione e la gestione delle informazioni. La formazione generale comprende: attività formative di base nelle aree delle discipline fisiche teoriche e sperimentali, matematiche e metodologiche; attività integrative come lo studio delle lingue straniere e dell informatica; attività professionalizzanti mediante insegnamenti specifici e con un tirocinio applicativo presso aziende, industrie del settore o laboratori di ricerca pubblici e privati, cui è correlata la prova finale. Ogni corso di laurea in base agli specifici obiettivi formativi previsti fornisce competenze, conoscenze e abilità specialistiche per determinati ambiti lavorativi. Alcuni corsi, ad esempio, si concentrano maggiormente sugli aspetti della ricerca quali la misurazione dei fenomeni e l analisi dei dati, altri invece sugli aspetti legati all applicazione del metodo fisico per la risoluzione di problemi concreti. Questa differenziazione dipende molto dai singoli Atenei presso i quali sono attivati i corsi di laurea; ogni Facoltà, infatti, ha la possibilità di costruirsi percorsi di studio personalizzati, definendo i piani degli studi con gli insegnamenti e le corrispondenti attività formative, impartite in base alle proprie competenze e soprattutto al contesto culturale, economico, sociale e professionale del mondo del lavoro in cui i laureati saranno chiamati ad operare. Al terzo anno è spesso previsto un periodo di tirocinio, da svolgersi presso aziende, enti pubblici e privati, oppure presso i laboratori dell Ateneo stesso. Questa esperienza si conclude con una relazione scritta relativa all attività svolta, che costituisce l elaborato da discutere in sede di prova finale per il conseguimento della laurea. La laurea si consegue con il superamento di un esame finale e l acquisizione di 180 crediti, suddivisi nei tre anni di studio. Conseguito il titolo di laurea triennale, lo studente può frequentare un corso di laurea specialistica, oppure iscriversi ad un master di primo livello, o ancora frequentare corsi di formazione post-base. 8 Lauree specialistiche Dopo aver conseguito il titolo di laurea triennale, lo studente può quindi frequentare un corso di laurea specialistica, le classi di laurea più idonee per un futuro nanotecnologo sono le seguenti: Scienza e Ingegneria dei Materiali (S61) Scienze chimiche (S62) Fisica (S20) Ingegneria Chimica (S27) Ingegneria Biomedica (S26) Ingegneria Elettronica (S32) Biotecnologie Industriali (S8) Biotecnologie Mediche, Veterinarie e Farmaceutiche (S9) I corsi di laurea specialistica durano 2 anni e hanno l obiettivo di fornire allo studente una conoscenza più approfondita per l esercizio di attività di elevata qualificazione nell ambito chimico, fisico, matematico, ingegneristico e biotecnologico. Forniscono ai laureati una formazione culturale e professionale avanzata che permetterà loro un elevata autonomia nell ambito del lavoro, con responsabilità di progetti e capacità di ricerca. Corsi post-laurea I corsi di perfezionamento e i master di primo e secondo livello vengono organizzati di solito dai singoli Atenei, ma esistono anche scuole specializzate che erogano formazione altamente qualificata nei diversi settori scientifici. Questi corsi propongono un programma di formazione interdisciplinare che affianca a strumenti e solide competenze tecniche, competenze di gestione, promozione e sviluppo dell innovazione scientifica e tecnologica. Dottorato di ricerca È la scelta obbligata se si vuole percorrere la carriera accademica, ma non solo. Il dottorato di ricerca è soprattutto un percorso di crescita personale e professionale. Ha una durata di 3 anni, generalmente retribuiti, a cui si accede dopo il superamento di un esame che consiste in una prova scritta ed una orale. Il principale compito di un dottorando è lo svolgimento di un proprio progetto di ricerca che verrà valutato annualmente. È inoltre affiancato un programma didattico che dipende dal corso del singolo ateneo, generalmente consiste in lezioni integrative e seminari. Il dottorato può prevedere un periodo di lavoro all estero. Ai fini del conseguimento del titolo di Dottore di Ricerca è richiesta la stesura di una tesi in cui vengono riportati i principali risultati dell attività di ricerca svolta. 9

6 OFFERTA FORMATIVA A MILANO E LOMBARDIA Riportiamo qui di seguito alcuni riferimenti riguardo alle opportunità formative a Milano e in Lombardia relative alle professioni del settore chimico, fisico, matematico, ingegneristico e biotecnologico. Vi ricordiamo, però, che la Città dei Mestieri e delle Professioni di Milano è sempre a disposizione per fornire ulteriori informazioni e un aiuto per definire il percorso professionale, scegliere una formazione o cercare un lavoro. Lauree di I livello Classe delle lauree in Scienze e tecnologie chimiche (21) Università degli studi Milano - Bicocca ( Scienza dei Materiali - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Scienza e tecnologie chimiche - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università degli studi di Milano ( Chimica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università dell Insubria - Como ( Chimica e chimica industriale - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Scienze Chimiche - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Classe delle lauree in Scienze e tecnologie fisiche (25) Università degli studi Milano - Bicocca ( Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università degli studi di Milano ( Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università dell Insubria - Como ( Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università Cattolica del Sacro Cuore di Milano ( Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Classe delle lauree in Ingegneria dell Informazione (9) Politecnico di Milano ( Ingegneria elettronica - Facoltà dell Ingegneria dell informazione Classe delle lauree in Ingegneria Industriale (10) Politecnico di Milano ( Ingegneria dei Materiali - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali Ingegneria Chimica - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali Ingegneria Aerospaziale - Facoltà di Ingegneria Industriale Ingegneria Energetica - Facoltà di Ingegneria Industriale Ingegneria Meccanica - Facoltà di Ingegneria Industriale Ingegneria Biomedica - Facoltà di Ingegneria dei Sistemi Ingegneria Fisica - Facoltà di Ingegneria dei Sistemi Università degli studi di Brescia ( Ingegneria dei Materiali - Facoltà di Ingegneria Classe delle lauree in Biotecnologie (1) Università degli studi Milano - Bicocca ( Biotecnologie - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali 10 Università degli studi di Milano ( Biotecnologie Farmaceutiche - Facoltà di Farmacia Biotecnologie Mediche - Facoltà di Medicina e Chirurgia Biotecnologie Industriali e Ambientali - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università dell Insubria - Varese ( Biotecnologie - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università degli studi di Brescia ( Biotecnologie - Facoltà di Medicina e Chirurgia Lauree specialistiche Classe delle lauree specialistiche in Scienza e Ingegneria dei Materiali (S61) Università degli studi Milano - Bicocca ( Scienza dei Materiali - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Scienza e tecnologie chimiche - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Politecnico di Milano ( Ingegneria dei Materiali - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali Classe delle lauree specialistiche in Scienze chimiche (S62) Università degli studi di Milano ( Scienze Chimiche - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Scienze Chimiche - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Classe delle lauree specialistiche in Fisica (S20) Università degli studi Milano - Bicocca ( Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università dell Insubria - Como ( Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università Cattolica del Sacro Cuore - Milano ( Fisica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Classe delle lauree specialistiche in Ingegneria Chimica (S27) Politecnico di Milano ( Ingegneria Chimica - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali Classe delle lauree specialistiche in Ingegneria Biomedica (S26) Politecnico di Milano ( Ingegneria Biomedica - Facoltà di Ingegneria dei Sistemi Ingegneria Biomedica - Facoltà di Ingegneria Classe delle lauree specialistiche in Ingegneria Elettronica (S32) Politecnico di Milano ( Ingegneria Elettronica - Facoltà di Ingegneria dell Informazione Ingegneria Elettronica - Facoltà di Ingegneria Classe delle lauree specialistiche in Biotecnologie Industriali (S8) Università degli studi Milano - Bicocca ( Bioinformatica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Biotecnologie Industriali - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali 11

7 Università degli studi di Milano ( Biotecnologie per l Industria e per l Ambiente - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Genomica Funzionale e Bioinformatica - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Biotecnologie industriali - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Università dell Insubria - Varese ( Biotecnologie Industriali e Biocatalisi - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali Classe delle lauree specialistiche in Biotecnologie Mediche, Veterinarie e Farmaceutiche (S9) Università degli studi Milano - Bicocca ( Biotecnologie Mediche - Facoltà di Medicina e Chirurgia Università degli studi di Milano ( Biotecnologie Mediche e Medicina Molecolare - Facoltà di Medicina e Chirurgia Biotecnologie del Farmaco - Facoltà di Farmacia Biotecnologie Mediche e farmaceutiche - Interfacoltà: Medicina e Chirurgia, Farmacia Università degli studi di Brescia ( Biotecnologie Mediche - Facoltà di Medicina e Chirurgia Libera Università Vita e Salute San Raffaele di Milano ( Biotecnologie Mediche Molecolari e Cellulari - Facoltà di Medicina e Chirurgia Dottorati di Ricerca Università degli studi Milano - Bicocca ( Scienza dei Materiali Nanostrutture e Nanotecologie Scienze Chimiche Tecnologie Biomediche Università degli studi di Milano ( Biotecnologie applicate alle scienze mediche Fisica, Astrofisica e Fisica Applicata PhD in Medical Nanotechnology Scienze Chimiche Biochimica Biologia Cellulare e Molecolare Università dell Insubria - Como e Varese ( Fisica Scienze Chimiche Biologia Cellulare e Molecolare Bioingegneria e Bioinformatica Chimica e tecnologia Farmaceutiche Fisica Scienze Chimiche Biochimica Politecnico di Milano ( Bioingegneria Chimica industriale e Ingegneria Chimica Fisica Ingegneria dei Materiali 12 Università degli studi di Brescia ( Materiali per l Ingegneria Master, corsi di specializzazione e perfezionamento Scuola Superiore IUSS Pavia ( Master in Scienza dei Materiali Master in Methods for Management of Complex Systems!Attenzione!: le informazioni riguardanti master, corsi di specializzazione e perfezionamento qui riportate sono solo a titolo esemplificativo. Tutti i corsi post-laurea sono infatti soggetti a modifiche annuali. Per avere maggiori informazioni, Vi consigliamo di contattare direttamente i singoli Atenei o di consultare il loro sito web. 13

8 Ricerca e Sviluppo In Italia In Italia l impiego di R&S nel settore delle nanotecnologie è sempre più in crescita, nelle maggiori istituzioni di ricerca pubblica che privata. Per fornire qualche dato, nel 2005 sono stati stanziati 60 milioni di euro di fondi pubblici per le nanotecnologie, sono attive più di 65 imprese private che lavorano nel settore e più di 4300 persone sono coinvolte nelle nanotecnologie. L area di ricerca maggiormente attiva è quella dei materiali, sia organici che inorganici, mentre le strutture di ricerca sono presenti soprattutto in Lombardia, Piemonte, Lazio e Veneto. La ricerca pubblica in Italia è di tutto rispetto: i più grandi centri di ricerca lavorano anche in questo settore, da IN- STM (consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e le Tecnologie dei Materiali), INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente) e CNR/INFM (Centro Nazionale delle Ricerche, Istituto Nazionale per la Fisica della Materia)) con ben cinque centri di eccellenza: Lecce (Nnl, nanoelettronica e bioelettronica), Pisa (NEST, National Enterprise for nanoscience and nanotechnology, fisica nanometrica), Modena (S3, nanostructures and biosystems at Surfaces), Trieste (TASC, Tecnologie Avanzate e nanoscienza, materiali) e Roma (ISMN, Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati). Esistono circa trentadue strutture universitarie impegnate nelle nanotecnologie in dipartimenti quali Fisica, Scienza dei Materiali, Ingegneria, Biotecnologia e Farmacologia. Nel privato vi sono alcune iniziative che coinvolgono Agilent Technologies, STMicroelectronics, Pirelli, Alenia Marconi e cominciano ad affacciarsi le prime iniziative nel settore farmaceutico. È importante citare l attività di coordinamento e promozionale svolta in questo settore da AIRI (Associazione Italiana per la Ricerca Industriale). Questa associazione ha dato il via a Nanotec IT, Centro Italiano per le Nanotecnologie, che vede iscritti i principali attori pubblici e privati delle nanotecnologie in Italia, gestisce un proprio sito ( con notizie ed eventi nel settore a livello mondiale, pubblica Nanotec It Newsletter e organizza eventi di divulgazione e formazione. L attività di AIRI in questo settore rappresenta quindi un significativo punto di coordinamento e di riferimento per lo sviluppo di iniziative in questo settore. È opportuno infine menzionare una prestigiosa mostra-convegno che si svolge a Milano da ormai tre anni, dedicata all incontro tra la ricerca e l impresa nel settore delle micro e nanotecnologie: Nanoforum ( Nanoforum rappresenta l occasione ideale per mostrare le nuove frontiere delle nanotecnologie, oltre che per favorire i processi del trasferimento tecnologico dalla ricerca al settore imprenditoriale. Nanoforum è stato pensato per tutti quei reparti di ricerca aziendali in cerca delle 14 giuste risposte alle proprie esigenze, attraverso la presenza di qualificati esperti del settore. Per le imprese che tra le loro funzioni principali non prevedono ancora la ricerca, è offerta la possibilità di intraprendere contatti con i maggiori ricercatori italiani e stranieri, per orientarsi in questo mondo ad alto tasso d innovazione. Presso Nanoforum sono inoltre presenti aziende e ricercatori esteri, grazie alla collaborazione con alcune Camere di Commercio italiane all estero e a partner stranieri. In Europa e nel Mondo Le nanotecnologie rientrano negli obiettivi di sviluppo di tutti i maggiori Paesi industrializzati. Le spese per l attività di R&S in questo campo hanno superato nel 2005 i 9 miliardi di dollari suddivisi in parti sostanzialmente uguali tra pubblici e privati. Per rendere più efficace il loro impegno, molti Paesi hanno attivato programmi specifici pluriennali per lo sviluppo delle nanotecnologie. Una delle iniziative più importanti è la National Nanotechnology Iniziative (NNI), avviata nel 2001 negli USA con ingenti fondi federali: per il 2008 il budget prevede 1,45 miliardi di dollari di cui un 1 /4 (375 milioni di dollari) investiti dal Dipartimento della Difesa. Iniziative simili sono attive in Paesi come Cina (dal 2001, quinquennale), Corea del Sud (decennale, dal 2001), Taiwan (su 6 anni, dal 2005), Israele dal 2001, in Irlanda. In altri Paesi quali Giappone, Germania, Francia, Gran Bretagna e Olanda sono state create agenzie nazionali ad hoc, spesso con la partecipazione di privati, con le necessarie risorse tecniche ed economiche. Si valuta il mercato mondiale attuale dei prodotti realizzati con le nanotecnologie a 32 miliardi di dollari, che dovrebbero diventare 1000 miliardi nel Le imprese attive nel settore sono già nel mondo; i prodotti sul mercato sono già più di 200 nei settori dei cosmetici, degli articoli sportivi, dell abbigliamento, dell elettronica, dei rivestimenti superficiali, dell edilizia, dell ambiente, dell energia e dell industria automobilistica. Anche in riferimento ai materiali legati al mondo delle nanotecnologie la situazione a livello mondiale continua ad essere caratterizzata da una leadership incontrastata, sia sul piano produttivo che della ricerca, degli Stati Uniti, dove, per motivi strategici ormai storici, lo sviluppo di materiali e tecnologie fondamentali per l industria aerospaziale e della difesa è oggetto da sempre di importanti finanziamenti governativi (DOE [Department of Energy], DOD [Department of Defense], DARPA [Defense Advanced Research Projects Agency] e NASA [National Aeronautics and Space Administration]). DARPA, ad esempio, nell attuale piano strategico, cita la ricerca sui materiali tra le proprie priorità con specifico riferimento ai Materiali Strutturali a basso costo e ultra leggeri, Materiali Funzionali avanzati per l elettronica, Materiali e Strutture intelligenti, Materiali per la generazione e lo stoccaggio dell energia. Sul piano produttivo nel 1998 gli USA assicuravano il 35% della produzione mondiale di prodotti High-Tech, nei quali sono compresi anche molti tipi di Materiali Avanzati (Giappone circa 20% e Germania circa 6%) e controllavano il 55% del mercato aerospaziale mondiale (Dati National Science Foundation - Science & Engineering Indicators 2002). È interessante notare che per gli USA i tre maggiori mercati di esportazione di Materiali Avanzati sono rappresentati da paesi essi stessi importanti attori del settore: il Canada (24.6%), il Giappone (16,3%) e la Germania (8,7%). 15

9 Il Governo Giapponese nel The Science and Technology Plan for the 21th century individua quattro settori prioritari per la ricerca nazionale tra i quali materiali e nanotecnologie. In questo ambito le aree di intervento raccomandate riguardano: a) le tecnologie di analisi avanzata, fino a livello nanometrico, di materiali, strutture, superfici e interfacce; b) materiali per applicazioni energetiche e ambientali; c) materiali e loro tecnologie che possano migliorare la qualità della vita; d) nanomateriali ultraleggeri e ultraresistenti. In particolare e a titolo esemplificativo si ricorda che già nel 1997 la quota di investimenti giapponesi riservati alle nanotecnologie è stata pari a 120 milioni di euro rispetto ai 130 milioni complessivamente investiti, nello stesso anno, dai paesi dell Europa occidentale. Da ricordare, infine, che il budget dedicato dal Giappone nel biennio per lo sviluppo di classi innovative di acciai (i Super Steel, Ultra Steel o Ultrametal) è stato di 50 milioni di euro. Per restare in Estremo Oriente merita sicuramente di essere citato il forte impulso dato alle attività di R&S dal Governo della Corea del Sud con l obiettivo di portare il Paese all inizio del 21 secolo nel G8. Sono stati pertanto finanziati, nel periodo , una serie di progetti denominati G-7 HAN (Higly Advanced National Projects) di cui almeno 5 riguardano tecnologie dei Materiali Avanzati, quali i superconduttori, biomateriali, processi di produzione innovativi, Materiali per l energia, ecc. per un valore complessivo di spesa, nel periodo, di circa 1500 milioni di euro. In Europa Germania, Francia e Inghilterra sono in grado di esprimere nel settore dei Materiali Avanzati un autonoma capacità sia produttiva che di Ricerca e Sviluppo raggiungendo anche punte di eccellenza mondiale in alcune importanti nicchie tecnologiche. In Francia, nel 2000, è stato costituito, dai Ministeri per la Ricerca e per l Industria, il Réseaux Matériaux et Procédés con lo scopo di promuovere e finanziare progetti consortili, tra industria e ricerca pubblica, sulle tematiche dello sviluppo di Materiali Avanzati e relative tecnologie, ecocompatibili, di produzione, messa in forma, protezione superficiale, riciclaggio. Al 31 luglio 2002 erano stati presentati progetti per 57 milioni di euro con un corrispondente finanziamento pubblico di 27,5. Aree di intervento raccomandate sono i prodotti in acciaio, le leghe leggere con particolare riferimento a quelle di alluminio, la metallurgia delle polveri, l Ingegneria delle superfici, le nanotecnologie, i Materiali ceramici avanzati compresi i refrattari, i biomateriali, i compositi, i Materiali optoelettronici. A livello comunitario la R&S sui Materiali e relative tecnologie è stata sempre considerata di alta priorità come dimostra il progressivo incremento di fondi ad essa destinati passando dal 3 Programma Quadro (730 milioni di euro pari all 11,5 % sul totale dei fondi) al 5 Programma Quadro (2.620 milioni di euro pari al 18 %). Il 6 P.Q., viceversa, fa registrare una inversione di tendenza, seppur mitigata da una importante enfasi sulla tematica dei nanomateriali e nanotecnologie per la quale si prevede una spesa di 1300 milioni di euro. 16 La tabella 1 riporta i livelli di attività di ricerca riguardanti diverse classi di materiali in tre diverse aree geografiche: Stati Uniti, Europa e Giappone. Per quanto riguarda le procedure che portano alla sintesi di sistemi nanostrutturati, gli Stati Uniti mostrano il maggior livello di competenza, seguiti da Europa e Giappone. Lo stesso andamento si riscontra nei materiali ad elevata area superficiale. Nell ambito delle applicazioni biologiche, Stati Uniti ed Europa sono alla pari, seguiti dal Giappone. La stessa gerarchia si osserva nel campo dei rivestimenti. Il Giappone manifesta invece la sua supremazia nel campo dei dispositivi e dei materiali allo stato solido. È evidente che questa è solo un istantanea dello stato dell arte nel mondo: alla velocità con cui progredisce la ricerca, questa situazione è senza dubbio suscettibile di cambiamenti nel tempo. Tab. 1 Metodi di sintesi Applicazioni biologiche Rivestimenti Materiali ad elevata area superficiale Dispositivi Materiali allo stato solido USA USA/Europa USA/Europa USA Giappone Giappone Europa Giappone Giappone Europa Europa USA/Europa Giappone Giappone Livello di competenza USA 17

10 Nanoelettronica Applicazioni Il grafico riporta una rappresentazione della validità della legge di Moore dalla sua formulazione sino ai tempi recenti, con i nomi dei processori che hanno contraddistinto i vari passaggi del processo di miniaturizzazione. È immediato immaginare come la validità delle legge di Moore preveda, in un futuro molto prossimo, il raggiungimento di un limite fisico alla realizzazione dei dispositivi. Il limite fisico è naturalmente imposto dalle dimensioni finite degli atomi, al di sotto delle quali non è possibile scendere. Questo è un chiaro segnale che qualcosa deve cambiare nel modo di concepire i dispositivi elettronici ed evolversi verso tecnologie innovative. Gli attuali dispositivi per la memorizzazione di dati si basano su varie tecnologie incapaci di conciliare le caratteristiche fondamentali di elevata densità di memoria, velocità e longevità. I futuri dispositivi per l archiviazione di memoria capaci di venire incontro alle suddette esigenze sono, secondo le previsioni attuali, le memorie a transizione di fase (Phase-Change RAM) e le memorie magnetiche (Magnetic RAM). Una transizione di fase si esplica nel repentino cambiamento di una proprietà fisica in seguito ad uno stimolo, tipicamente la somministrazione di energia (calore, radiazione,...). Una tipica transizione di fase è il passaggio di un solido da una struttura altamente ordinata (cristallina) ad una disordinata (amorfa). Un esempio di portata quotidiana è quello dei DVD riscrivibili, sulla superficie dei quali uno speciale rivestimento è suscettibile di transizione di fase in seguito all impulso di un laser: un primo impulso modifica localmente la struttura cristallina del rivestimento permettendo la scrittura di una sequenza di bit (archiviazione di dati); un secondo impulso, di intensità e durata maggiori, riporta il rivestimento alla struttura iniziale, permettendo la sovrascrittura dei dati. Questo medesimo principio troverà probabilmente applicazione nel settore delle memorie elettroniche, dove la transizione di fase avrà luogo per mezzo di un im- 18 pulso elettrico. Con l avvento delle Phase-Change RAM potrebbe essere possibile archiviare una quantità di dati pari a 1 Terabit (1024 volte un Gigabit) sulla superficie di un francobollo. Sull altro versante (Magnetic RAM), l avvento della spintronica permette di discriminare gli elettroni non più solo in base alla loro carica elettrica, ma anche in base al loro spin, ovvero il loro momento magnetico. Questo consente di archiviare quantità di informazioni su una scala spaziale più fine, e di raggiungere quindi elevate densità di dati. Questo sviluppo riveste un grande interesse per le memorie non volatili e porterebbe a lungo termine alla sostituzione dei dischi rigidi ad attivazione meccanica. Si è già fatto cenno alla scoperta che nel 1985 portò all identificazione del fullerene; questo aggregato di carbonio costituisce il precursore di una nuova classe di materiali:i nanotubi, piani di esagoni di carbonio arrotolati su loro stessi e chiusi alle estremità con due semisfere di fullerene. Questi sistemi tubolari, in virtù delle loro eccellenti proprietà elettriche, hanno promettenti potenzialità come minuscoli fili per circuiti nanometrici costruiti con approccio bottom-up. Abbiamo quindi seguito il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica e alla spintronica, ma un altra branca dell elettronica, l optoelettronica, si presta molto bene a fornire applicazioni per dispositivi nanometrici. Nell optoelettronica, la possibilità di convertire segnali elettrici in segnali luminosi, e viceversa, consente di immaginare dispositivi di calcolo che utilizzino almeno in parte la luce come vettore di informazioni: la velocità di calcolo di simili apparecchiature sarebbe quindi straordinariamente più elevata dei comuni dispositivi elettronici. I sistemi nanometrici votati a simili applicazioni sono le cosiddette strutture quantiche confinate, sistemi nei quali non solo le dimensioni sono importanti, ma anche la dimensionalità: con particolari tecniche di preparazione nell ambito top-down è possibile generare strutture non più tridimensionali, ma anche bi-, mono- e zero-dimensionali. Sistemi siffatti sono in grado di emettere luce caratterizzata da colori strettamente connessi alle dimensioni della struttura. 19

11 Percorso professionalizzante Corso di Laurea in Scienza dei Materiali, Fisica, Ingegneria elettronica, con particolare riguardo alla fisica dei semiconduttori e dello stato solido. Dottorato di Ricerca in Nanostrutture e Nanotecnologie, Scienza dei Materiali, Fisica, Ingegneria elettronica. Energia e ambiente In Europa quasi il 10% dell energia elettrica prodotta è utilizzata per l illuminazione; oggigiorno i diodi emettitori di luce (LED) possono emettere anche luce bianca e sostituire la tecnologia tradizionale: questa sostituzione comporterebbe considerevoli risparmi, dal momento che i LED richiedono solo il 50% dell energia elettrica consumata da una tradizionale lampadina, a parità di illuminazione. Per quanto riguarda i monitor, la sostituzione del tubo catodico con i display a cristalli liquidi è già avvenuta, e la tendenza nella ricerca è quella di spostarsi verso i diodi emettitori di luce a base organica (OLED): a differenza dei display a cristalli liquidi, i display OLED non richiedono componenti aggiuntivi per essere illuminati (i display a cristalli liquidi vengono illuminati da una fonte di luce esterna), ma producono luce propria; questo permette di realizzare display molto più sottili e addirittura pieghevoli e arrotolabili, senza contare il risparmio energetico che ne consegue. Gli OLED sono sistemi nanostrutturati, in quanto ogni dispositivo è costituito da diversi strati di materiali con opportune funzionalità; senza entrare nei dettagli, il dispositivo nel suo complesso deve essere sufficientemente sottile (approssimativamente 300 nanometri) da garantire la massima funzionalità di ogni strato e contemporaneamente poter funzionare con basse tensioni di alimentazione (circa 10 Volt). Normalmente, gli strati organici sono in grado di emettere solo luce bianca, ma con opportuni drogaggi (cioè, con l aggiunta di piccole quantità di particolari sostanze) è possibile renderli in grado di emettere luce rossa, verde o blu: essendo questi i co- 20 lori primari, è possibile combinarli per produrre tutti i colori dello spettro visibile, in modo analogo a quanto accade in qualunque display a colori: ogni punto di un immagine (pixel) è costituito da tre microdisplay affiancati, che producono luce rossa, verde e blu; visto da lontano, ogni elemento appare all occhio umano come un singolo punto, il cui colore cambia a seconda dell intensità della luce di ogni singola componente. La Universal Display Corporation, tuttavia, ha recentemente annunciato di aver realizzato un differente tipo di display, in cui i tre elementi sono sovrapposti anziché affiancati, con un notevole incremento della risoluzione. Rendiamoci conto della velocità alla quale procede la ricerca: l anno 2000 ha visto assegnare il premio Nobel a Shirakawa, McDiarmid e Heeger per lo sviluppo di polimeri conduttori; nel 2002 è arrivata la prima applicazione commerciale: un display per un rasoio elettrico; nel 2003 da Kodak è stata prodotta la prima fotocamera digitale con schermo OLED; nel maggio del 2005 è stato presentato un prototipo di schermo OLED di 40 pollici; nell aprile del 2006 l Università di Braunschweig ha comunicato una nuova tecnologia che entro due anni produrrà il primo schermo OLED trasparente utilizzando TFT (Thin Film Transistor); nel settembre del 2006 un gruppo di ricercatori della Cornell University ha creato un nuovo tipo di OLED flessibile che agisce come una sorta di cella fotovoltaica e che quindi genera elettricità dalla luce. Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire la radiazione luminosa direttamente in energia elettrica. L università di Toronto ha inventato un materiale plastico che sfruttando nanotecnologie converte i raggi solari e infrarossi (quindi funziona anche con il tempo nuvoloso) in elettricità. Si prevede che costruendo i futuri pannelli fotovoltaici con questo materiale se ne aumenteranno le prestazioni di cinque volte. Può essere inoltre usato come generatore portatile e quindi essere spruzzato su superfici di altri materiali (ad esempio vestiti o su una batteria di auto a idrogeno). Si pensa che basterebbe ricoprire lo 0,1% del pianeta di questa nuova tipologia di pannelli per sostituire tutte le centrali elettriche. Tra i materiali nanostrutturati, quelli ad elevata area superficiale rivestono particolare importanza nel settore dei trasporti. I materiali porosi che presentano un area superficiale molto estesa si sono rivelati molto interessanti per la loro capacità di stipare molecole gassose al loro interno e quindi hanno permesso di poterli impiegare nello stoccaggio dei gas. Nel 1999 Omar Yaghi (uno dei più noti studiosi di strutture metallo-organiche) e il suo gruppo di ricerca ha scoperto una classe di strutture porose chiamate strutture metalloorganiche (metal organic frameworks, MOF), che posso presentare un area superficiale superiore a 3000 m 2 per grammo. La necessità di studiare queste strutture è nata per risolvere il problema di alimentare un automobile per 500 chilometri senza dover fare rifornimento: una pila a combustibile è un dispositivo elettrochimico che permette di ottenere elettricità direttamente da certe sostanze, tipicamente da idrogeno ed ossigeno, senza che avvenga alcun processo di combustione termica. Per- 21

12 tanto, non essendo il processo soggetto ai convenzionali limiti termodinamici, l efficienza delle pile a combustibile può essere molto alta. Il problema connesso all uso dell idrogeno come combustibile è essenzialmente la sua scarsa densità energetica per unità di volume, che richiede cilindri in pressione, stoccaggio criogenico a -253 C o uso di tecnologie come gli idruri metallici; nessuna di queste soluzioni è particolarmente pratica. Mentre queste tecniche di stoccaggio dell idrogeno sfruttano temperature molto basse o pressioni molto elevate, Omar Yaghi è riuscito a creare un materiale poroso che assorbe l idrogeno e consente di stipare più molecole in un volume molto piccolo. Di questi materiali è stata anche valutata la densità, che risulta essere più bassa di qualunque altro materiale cristallino. Dai test condotti è emerso che a basse pressioni e temperature, un tipico MOF assorbe circa 1290 mg di azoto per grammo di materiale; questi risultati sono di buon auspicio per un possibile impiego nello stoccaggio dell idrogeno. Ma i materiali ad elevata area superficiale si prestano, per antonomasia, anche all utilizzo in catalisi; è infatti una qualità gradita e ricercata, per un catalizzatore, quella di massimizzare il rapporto superficie/volume in modo da ottimizzarne l efficienza catalitica. È già stata messa a punto una marmitta catalitica per una popolare autovettura costituita da un MOF e da particelle di iridio finemente disperse (altro sistema nanostrutturato). L acqua pura per gli esseri umani, gli animali, l agricoltura e l industria è una necessità fondamentale. Tuttavia, milioni di persone ancora oggi non hanno accesso all acqua potabile; persino nei paesi industrializzati la depurazione delle acque rappresenta una problematica pressante, soprattutto dovendo rimediare ai danni prodotti dall inquinamento nell arco di decenni. Come spesso accade, la natura fornisce spunti per la risoluzione dei problemi: i sistemi biologici, come i nostri stessi reni, sono in grado di purificare l acqua separandola da sostanze non gradite disciolte in essa. Le nanotecnologie si prestano alla realizzazione di impianti di depurazione basati su diversi principi fisici. L osmosi inversa è il fenomeno che permette di separare l acqua dalle sostanze disciolte in essa (scarichi industriali come batteri), e richiede la presenza di opportune membrane; si possono poi rimuovere degli ioni in soluzione per mezzo di scambiatori ionici: le argille sono un altro esempio fornito dalla natura, e sistemi ispirati ad esse possono essere considerati nanostrutturati; la sintesi di componenti selettivi nei confronti di determinate sostanze, ad esempio i metalli pesanti, permetterebbe la rimozione di tali elementi senza far venir meno la qualità dell acqua. La fotocatalisi gioca un ruolo primario in processi biologici e nelle attività di controllo ambientali. Un campo promettente in cui la fotocatalisi sta guadagnando terreno sia da un punto di vista tecnologico che economico è quello dell abbattimento degli inquinanti ambientali. 22 Nel corso degli ultimi 10 anni l interesse scientifico e ingegneristico sull applicazione della fotocatalisi allo studio dei materiali semiconduttori risulta cresciuto esponenzialmente se si considera che più di 200 lavori sono stati pubblicati nel solo settore del trattamento dell acqua ed dell aria. Nell ambito di una strategia mirante a ridurre l inquinamento ambientale attraverso l uso di materiali di costruzione che contengano fotocatalizzatori, si è allora investigato un sistema che comprende principalmente biossido di titanio nella forma di anatasio e cemento. I risultati delle sperimentazioni condotte ad oggi hanno permesso di concludere che materiali cementizi contenenti biossido di titano (TiO2), allorché irradiati con luce di opportuna energia, mostrano una maggiore efficienza nell ossidare le sostanze organiche con le quali vengono a contatto. Numerosi tipi di materiali edili intelligenti sono stati testati in condizioni sperimentali di umidità, temperatura e radiazioni ultraviolette (UV) presso l impianto INDOORTRON del Centro comune di ricerca della Commissione Europea a Ispra, nei pressi di Varese, per simulare condizioni reali. I gas NOx e i composti organici filtrano attraverso la superficie porosa e si legano alle nanoparticelle di biossido di titanio dei materiali edili e dei rivestimenti. L assorbimento di luce UltraVioletta da parte del TiO2 incorporato comporta la sua fotoattivazione e la conseguente degradazione degli inquinanti assorbiti nelle particelle. I prodotti acidi creati da questo processo sono eliminati dalla pioggia e/o neutralizzati dal carbonato di calcio alcalino contenuto nei materiali. Test preliminari condotti con materiali fotocatalitici analoghi utilizzati sul campo mostrano che è possibile migliorare la qualità dell aria in modo significativo. Nel 2002, dopo che 7000 mq di superficie stradale a Milano erano stati coperti con un materiale fotocatalitico simile al cemento, si è registrata una riduzione fino al 60% nella concentrazione di ossidi di azoto a livello della strada. Percorso professionalizzante Corso di Laurea in Scienza dei Materiali, Scienze Chimiche, con particolare riguardo alla chimica supramolecolare ed elettrochimica. Dottorato di Ricerca in Nanostrutture e Nanotecnologie, Scienza dei Materiali, Scienze Chimiche. Nanotecnologie farmaceutiche L invecchiamento della popolazione, le elevate aspettative per una migliore qualità della vita insieme ai profondi cambiamenti degli stili di vita richiedono tecnologie per il mantenimento della salute efficaci ed economicamente accessibili. La conoscenza del funzionamento del corpo umano su scala molecolare e nanometrica come pure la possibilità di intervenire negli stadi acuti e cronici, se non addirittura presintomatici, di una malattia sono di importanza fondamentale per soddisfare le aspettative di una qualità della vita migliore. In questa ottica, il concetto di somministrazione di farmaci (termine tecnico: drug delivery) sta cambiando, lasciandosi alle spalle la procedura di banale introduzione di un principio attivo all interno di un organismo. La formulazione, basata sull utilizzo di sistemi nanometrici, diventa il veicolo attraverso il quale una sonda molecolare specifica e selettiva sarà capace di rilevare la specie bersaglio che 23

13 indica la presenza della malattia. Siamo nel campo della medicina preventiva, della diagnostica precoce. La nanodiagnostica ha come obiettivo ideale non solo il rilevamento precoce delle malattie, ma addirittura della predisposizione alle malattie. Peraltro la formulazione di drug delivery potrà essere utilizzata come vettore di speciali molecole capaci di indurre la rigenerazione di tessuti e organi danneggiati a livello endogeno, cioè dall interno. Si parla quindi di medicina rigenerativa. Particolarmente in quest ultima applicazione sarà necessario trovare biomateriali intelligenti e molecole bioattive che agiscano a livello cellulare (riconoscimento molecolare, bioadesione, stimolazione dei processi di crescita e differenziazione cellulare). L obiettivo a lungo termine è la capacità di raggiungere selettivamente le cellule o i recettori specifici del trattamento farmacologico. Il mercato richiede nuovi sistemi di drug delivery capaci di un azione farmacologica specifica ed efficace, tale da migliorare l accettabilità da parte del paziente, ridurre le quantità di farmaco e di somministrazione e quindi i costi di trattamento. Già ora formulazioni basate su nanoparticelle sfruttano il fatto che un elevato rapporto superficie/volume si accompagna spesso ad un significativo aumento dell attività farmacologica. Nanoparticelle di varia natura possono essere usate per la veicolazione di agenti terapeutici poco solubili. La nanoparticella può veicolare il farmaco al sito specifico, rilasciarlo in modo controllato e al tempo stesso proteggerlo da prematura degradazione. L uso congiunto delle tecnologie nanoelettroniche (microchips) e delle formulazioni di drug delivery rappresenta un enorme potenzialità. La miniaturizzazione dei sistemi drug delivery e l indirizzamento del rilascio controllato permetterà di ridurre gli effetti collaterali dei trattamenti terapeutici. Percorso professionalizzante Corso di Laurea in Biotecnologie farmaceutiche, Biotecnologie mediche, Chimica e Tecnologia Farmaceutiche. Dottorato di Ricerca in Biotecnologie applicate alle scienze mediche, Biochimica, Scienze farmacologiche. Tab. 2 Rivestimenti e dispersioni Materiali ad elevata area superficiale Materiali allo stato solido Dispositivi Biologici Applicazioni attuali Isolanti termici Filtri ottici Memorie a transizione di fase Paste abrasive Setacci molecolari Catalizzatori Somministrazione di farmaci Materiali porosi per lo stoccaggio di gas Cementi nanocompositi Testine a magnetoresistenza gigante Biocatalizzatori Potenziali applicazioni Terapie farmacologiche mirate Rivestimenti multifunzionali Sensori ad elevata selettività Depurazione delle acque Stoccaggio di idrogeno nelle celle a combustibile Celle solari Materiali ultraresistenti Refrigeranti magnetici Polimeri compositi Cementi duttili Memorie ultracapienti (Terabit) Manipolazione di singole molecole di DNA Sensori biomedici Nanotubi per display ad elevata brillanza Laser Bioelettronica Protesi biomediche Sensori biologici ad elevata selettività La tabella 2 riporta una classificazione sommaria di sistemi nanostrutturati, catalogati come: rivestimenti, materiali ad elevata area superficiale, materiali allo stato solido, dispositivi, biologici generici; è evidente, però, come questa distinzione non sia rigorosa, ma solo di ausilio nel tentativo di orientarsi nel vasto mondo delle nanotecnologie. Quella delle nanotecnologie è, come abbiamo detto, una disciplina altamente interdisciplinare, che riunisce sotto le sue competenze diverse classi di materiali con le rispettive applicazioni. L esempio forse più eclatante è quello dei sistemi biologici, che rientrano anche nell ambito applicativo dei rivestimenti, dei materiali ad elevata area superficiale e dei dispositivi

14 Profili professionali Abbiamo appreso che le nanotecnologie non sono una nuova branca della scienza, ma piuttosto un tipo di approccio nei confronti delle discipline scientifiche già esistenti. Come naturale conseguenza di questa osservazione, precisiamo quindi che la figura professionale del nanotecnologo non esiste, come invece accade per i biologi o gli ingegneri. Per questo motivo, l ambito occupazionale dipende strettamente dal contesto lavorativo in cui un professionista va ad inserirsi. Tendenzialmente, la scelta della carriera accademica consente di approfondire le conoscenze in cui l individuo si è specializzato, mentre l entrata nel mondo del lavoro richiede una certa flessibilità e spirito di adattamento alle necessità del datore di lavoro. Quello che è assodato è che le conoscenze interdisciplinari di un professionista delle nanotecnologie gli permetteranno di interfacciarsi con realtà anche molto diverse tra loro, dandogli la possibilità di mettere in pratica l elasticità mentale che naturalmente gli compete. In ambito accademico, la figura del ricercatore riveste un ruolo ambivalente, facendo fronte all attività di ricerca e a quella didattica in accordo con il principio ispiratore della ricerca pubblica che si basa sulla generazione di conoscenza e sulla sua divulgazione. La principale attività di un ricercatore è la conduzione di un progetto di ricerca; nell ambito delle nanotecnologie i progetti di ricerca vengono distinti sia in base agli sbocchi applicativi sia in base all approccio scientifico: si può distinguere tra l approccio modellistico, che si occupa di simulazioni al calcolatore al fine di prevedere e/o razionalizzare determinati fenomeni, l approccio chimico-sintetico svolto in un laboratorio di sintesi chimica e l approccio fisico di crescita e caratterizzazione di nanostrutture. L attività di ricerca è naturalmente integrata dalla pubblicazione di articoli scientifici e dalla presentazione dei propri lavori alla comunità scientifica in Italia e all estero; generalmente il volume di pubblicazioni e il prestigio delle riviste sulle quali si pubblica è un indice dell operatività del ricercatore. La conoscenza della lingua inglese è fondamentale, in quanto rappresenta il linguaggio universale nell ambito della comunità scientifica. Come attività parallela un ricercatore si dedica anche all insegnamento e il tempo dedicato a questa attività è destinato ad aumentare con l avanzamento nella scala gerarchica accademica. La carriera accademica inizia naturalmente con un lavoro di tesi, che vede lo studente impegnato in un progetto di ricerca. Dopo la laurea la scelta più naturale per un aspirante ricercatore è il corso di Dottorato di Ricerca, al quale si accede mediante un concorso pubblico. Il percorso è di durata triennale (in Italia), durante il quale lo studente si interfaccia con la gestione di un progetto di ricerca e simultaneamente acquisisce ulteriori competenze grazie a corsi didattici e seminari. 26 Carriera accademica Il solo corso di dottorato però non è sufficiente all inserimento in ambito accademico, e difatti a questo periodo segue generalmente un attività a tempo determinato, il Post-Doc. Per i successivi avanzamenti di carriera, in Italia è necessario superare dei concorsi che consentono di accedere alle posizioni di Ricercatore, Professore Associato e Professore Ordinario. R&S nelle Aziende Chi non intende intraprendere la carriera accademica trova generalmente collocazione nel settore ricerca e sviluppo di aziende private o enti di ricerca. L ambito occupazionale dipende naturalmente dalla specializzazione dell impresa. Le mansioni di un impiegato nel settore Ricerca e Sviluppo non sono facili da riassumere, poiché strettamente connesse alle specifiche richieste dell azienda. Tuttavia, come linee guida, si possono identificare alcuni ambienti lavorativi: modellistico teorico: consiste nel realizzare simulazioni al computer di sistemi di interesse al fine di prevederne o razionalizzarne il comportamento macroscopico; la capacità predittiva di una simulazione costituisce una risorsa spendibile in diversi ambiti industriali, da quello farmaceutico a quello elettronico; sintesi chimica: consiste nel mettere a punto e portare a termine reazioni chimiche al fine di ottenere molecole che soddisfino determinati requisiti, in accordo con le richieste del mercato; crescita e caratterizzazione di nanostrutture: sistemi nanostrutturati possono essere ottenuti e caratterizzati mediante l utilizzo di strumenti preposti; esecuzione di test di laboratorio sul prodotto finito: determinati prodotti, ad esempio gli pneumatici, devono superare diverse prove al fine di accertarne le proprietà meccaniche, termiche, ecc. prima di essere lanciati sul mercato. A titolo esemplificativo, possiamo suggerire alcuni nominativi di aziende specializzate nel settore operanti in Italia: PIRELLI LABS ( Nati nel 2001 con un investimento di 135 milioni di Euro, i Labs dispongono di uno staff di circa 150 ricercatori e di 13mila metri quadri di laboratori nell area Milano Bicocca. Pirelli Labs raccoglie le competenze di ricerca avanzata e di innovazione del gruppo Pirelli e partecipa a numerosi progetti di ricerca, collaborando con diverse università e centri di ricerca di livello internazionale, tra i quali il Massachusetts Institute of Technology, Georgia Technical University, CNR, ENEA ed il Politecnico di Milano, oltre a centri di eccellenza come CORECOM e CORIMAV. Pirelli Labs collabora inoltre strettamente con le unità di ricerca dell gruppo Telecom Italia. Pirelli Labs è particolarmente attiva nei seguenti campi: dispositivi ottici di nuova generazione basati sulle nanotecnologie; nuovi materiali e processi per pneumatici; sensoristica e monitoraggio remoto; materiali per celle a combustibile. Nei progetti di ricerca dei Pirelli Labs sono attivi più di 120 ricercatori e numerosi studenti/ricercatori, tramite accordi con le varie università. 27

15 IBM ITALIA ( IBM è uno dei veri pionieri nel settore delle nanotecnologie. Le scoperte innovative dell IBM si collocano da sempre in diversi ambiti, da quello sanitario a quello della microelettronica. Le principali sedi di IBM Italia sono a Segrate (MI), Vimercate (MI) e Roma. ITALCEMENTI ( Il Gruppo Italcementi, con il Centro Tecnico di Gruppo (CTG), ha creato uno dei centri di ricerca sui materiali cementizi più importanti d Europa. I Laboratori del CTG sono situati a Bergamo (Italia) e a Guerville (Francia) dove lavorano in totale più di 130 tra ingegneri e tecnici. STMICROELECTRONICS ( ST è uno dei dieci maggiori fornitori mondiali di semiconduttori dal Oggi una combinazione vincente di esperienza nel settore, collaborazioni industriali ed accademiche e una delle più vaste gamme di prodotti fanno di ST un leader mondiale nello sviluppo di tecnologie basate sul silicio per l impiego in microelettronica, con sedi ad Agrate Brianza (MI), Catania, Crolles (Francia), Phoenix (USA), Rousset (Francia), e Singapore. CENTRO RICERCHE FIAT ( Il Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. nasce nel 1976 come polo di riferimento per l innovazione e la ricerca e sviluppo del Gruppo Fiat. Diventa poi una Società Consortile per Azioni con la partecipazione delle Società del Gruppo. Accanto alla sede principale di Orbassano (Torino), vengono costituite quattro sedi decentrate (Bari, Catania, Trento e Foggia) e una società controllata a Udine. All interno della ricerca italiana, il Centro Ricerche Fiat si distingue in quanto società a capitale completamente privato e totalmente dedicata al trasferimento dei suoi risultati in ottica industriale. Tutta l attività viene svolta sulla base di specifici contratti di ricerca. SAES GETTERS ( Il gruppo SAES Getters è il leader mondiale nell ambito delle applicazioni scientifiche che richiedono la presenza di vuoto spinto e gas ultra puri, ovvero la tecnologia dei semiconduttori, delle fibre ottiche e altre applicazioni hi-tech. Con l inizio del ventunesimo secolo, il gruppo SAES Getters amplia il suo raggio d azione alla metallurgia e alla scienza dei materiali, includendo materiali avanzati per l optoelettronica e i laser e leghe a memoria di forma per l impiego nel settore dei trasporti e dell elettronica. Un eccellente settore di Ricerca e Sviluppo situato nella sede del gruppo, a Milano, fa fronte alle continue richieste di innovazione tecnologica. SIAE MICROELETTRONICA ( SIAE Microelettronica S.p.A. è una compagnia italiana che si occupa della progettazione, produzione e vendita di materiali per le telecomunicazioni. MBN NANOMATERIALIA ( MBN è stata fondata nel 1994 e ha ora una capacità produttiva di nanomateriali di 200 tonnellate/anno. Con un processo di macinatura meccanica ad alta energia è possibile realizzare una vasta gamma di prodotti, dalle leghe ultra leggere ai materiali cementizi, ai ceramici, ai nanocompositi in matrice metallica e polimerica, alle membrane polimeriche per uso tessile. 28 Consulente La figura del consulente si inserisce come mediatore nel processo denominato technology transfer, ovvero il trasferimento di tecnologia, competenze e conoscenze dall università alle imprese e viceversa. Negli ultimi anni si è assistito ad un aumento degli interventi volti ad incentivare la collaborazione tra le imprese e le università o gli enti di ricerca, al fine di realizzare progetti innovativi e prodotti ad elevato contenuto tecnologico competitivi sul mercato globale. Il dialogo tra imprenditori e ricercatori è spesso difficoltoso, soprattutto a causa della loro diversa impostazione lavorativa: la figura del consulente nel technology transfer è nata proprio per conciliare la collaborazione tra questi due colossi apparentemente inconciliabili. La casistica di situazioni da mediare è varia. Tipicamente, un impresa richiede la collaborazione con università o centri di ricerca al fine di risolvere un problema tecnico o promuovere l innovazione tecnologica di un prodotto: in questo caso il consulente si assume la responsabilità di individuare le strutture idonee a fornire le competenze richieste. Una preparazione adeguata si ottiene con un percorso di studi scientifico, un costante aggiornamento sul mondo della ricerca e una conoscenza approfondita delle norme che tutelano la proprietà intellettuale. Il settore della proprietà intellettuale si occupa del diritto riguardante i beni immateriali che appartengono ad un privato, ed è parte integrante di tutti i processi innovativi: lo sfruttamento economico in esclusiva, consentito dal brevetto, è uno strumento indispensabile per garantire un ritorno economico dagli investimenti affrontati per sviluppare il prodotto. Il consulente brevettuale è chiamato a redigere domande di brevetto e seguirne l iter burocratico. Giornalista scientifico Il giornalista scientifico ricopre il delicato ruolo di anello mancante tra il ricercatore, ovvero l addetto ai lavori, e l utente finale, cioè chi usufruirà del progresso tecnologico. Tipicamente questa figura si identifica con il cittadino medio che viene a beneficiare delle innovazioni tecnologiche di pubblico dominio. La comunicazione scientifica è un punto chiave per l accettazione del progresso scientifico da parte della comunità: essa infatti deve assolvere non solo il compito di divulgare notizie a titolo informativo, ma anche di suscitare curiosità ed interesse per le discipline scientifiche, che rispetto a quelle umanistiche tendono spesso ad essere percepite in modo ostico. Una buona formazione scientifica è indispensabile al fine di intraprendere la carriera giornalistica, ma è anche necessario avere delle notevoli capacità comunicative, al fine di rendere di accessibili al pubblico le informazioni che si intende divulgare; a questo scopo esistono diversi corsi di specializzazione universitari e master in giornalismo e comunicazione scientifica. Acquisite le necessarie competenze, l aspirante giornalista può dedicarsi alla divulgazione scientifica attraverso i media (giornali, radio, televisione, internet) sia come libero professionista sia come curatore stabile, ma può anche svolgere compiti come addetto all ufficio stampa per centri di ricerca o musei a carattere scientifico, organizzando anche incontri divulgativi con il pubblico. 29

16 Alcuni Link Utili - National Nanotechnology Initiative - Foresight Nanotech Institute - Zyvex Instruments - Nanotechnology, Molecular Manufacturing, and Productive Nanosystems Coordinamento Interuniversitario Veneto per le Nanotecnologie - Tecnologie Avanzate e Nanoscienza Pubblicazioni Dario Narducci, Le nanotecnologie - Cosa sono, perché cambieranno la nostra vita, come la stanno già cambiando, Alpha Test. Le Scienze dossier, Nanotecnologie - dall atomo alle macchine molecolari, Numero 11 - Primavera 2002 ( Nanotoday ( Indice Introduzione Un po di storia 3 Top-down e bottom-up 4 Il percorso professionalizzante 6 Il percorso formativo ideale Lauree di I livello 8 Lauree specialistiche 9 Corsi post-laurea 9 Dottorato di ricerca 9 OFFERTA FORMATIVA A MILANO E LOMBARDIA Corsi universitari 10 Dottorati di Ricerca 12 Master, corsi di specializzazione e perfezionamento 13 Ricerca e Sviluppo In Italia 14 In Europa e nel Mondo 15 Applicazioni Nanoelettronica 18 Energia e ambiente 20 Nanotecnologie farmaceutiche 23 Profili professionali Carriera accademica 26 R&S nelle Aziende 27 Consulente 29 Giornalista scientifico 29 Alcuni Link utili

17 Prima edizione: giugno Città dei Mestieri di Milano e della Lombardia Tutti i diritti riservati Finito di stampare nel maggio 2007 dal Consorzio Artigiano «L.V.G.» - Azzate (Varese) 32