NANOSCIENZE E NANOTECNOLOGIE: il Futuro è adesso

Affrontiamo in quest’articolo un argomento di cui recentemente si è fatto un gran parlare; spesso anche a sproposito, come sempre in questi casi! È però un dato di fatto che l’impatto di queste novità tecnologiche sul nostro quotidiano è destinato a crescere progressivamente; proveremo dunque a spiegare di che cosa si tratta, consapevoli che non è certo questa la sede per una trattazione scientifica dell’argomento, nemmeno a carattere divulgativo.

La comunità scientifica parla sia di “nanoscienze”, sia di “nanotecnologie”. Situate nella zona di confine tra fisica e chimica, si riferiscono allo studio delle proprietà della materia che ci circonda, con la possibilità di lavorarla nei “nanometri”!! Che cos’è un nanometro? Una misura pari a 10-9 m (miliardesimo di metro): una dimensione minore di quella delle cellule biologiche, come ad esempio i globuli rossi, ma pur sempre maggiore di quella degli atomi! Il nanometro è quindi una dimensione davvero piccola rispetto a tutto quanto ogni giorno vediamo e ci circonda; per farsene un’idea, è sufficiente fare riferimento all’immagine sottostante: un comune neo sul dito di una mano ha una dimensione diversi ordini di grandezza superiori a quelli alle quali le nanotecnologie fanno riferimento.

L'emergere di questo nuovo approccio nell'ambito delle scienze costituisce una rivoluzione nella comprensione e nel controllo dei fenomeni fisici, chimici e biologici che governano il mondo che ci circonda: oggi, infatti, sono proprio i sistemi a scala nanometrica a costituire il terreno di sviluppo e di incontro più fertile fra le varie discipline. Per esempio, la fisica e l'ingegneria si stanno rivolgendo a sistemi, strutture artificiali, nuovi materiali e dispositivi di dimensioni sempre più ridotte; ma anche la chimica, la scienza dei materiali, la biologia sono profondamente coinvolte.

In tutto il mondo le nanoscienze stanno rapidamente assumendo il ruolo di motore trainante per una nuova trasformazione tecnologica e culturale, che apre a nuove possibilità di sviluppo e occupazione, specialmente per i giovani che iniziano oggi il loro cammino nel mondo del lavoro. Va detto che per capire, realizzare e controllare sistemi tanto complessi occorre affiancare ad una solida formazione scientifica una serie di competenze, strumentazioni e tecniche di analisi specifiche molto spesso diverse da quelle fin qui utilizzate dalla maggior parte degli istituti di ricerca.

La costruzione di nuovi materiali con elevate prestazioni rappresenta uno degli aspetti più interessanti delle nanotecnologie. I nanomateriali possono essere realizzati con approcci cosiddetti “top down” che portano alla creazione di strutture molto piccole partendo da pezzi più grandi (l’esempio più classico è costituito dalla creazione di circuiti sulla superficie di un microchip di silicio).

Più interessante per i risvolti innovativi nel campo produttivo è invece la realizzazione di nanomateriali mediante tecniche di “bottom up”, mettendo assieme atomo dopo atomo o molecola dopo molecola. A questo scopo viene sfruttata la capacità che hanno certi atomi o molecole di autoassemblarsi in ragione della loro natura e di quella del substrato. Vengono già utilizzate le nanoparticelle per il rafforzamento dei materiali, per lubrificanti particolari, la funzionalizzazione dei cosmetici, e in esperimenti pilota di disinquinamento ambientale. Grazie alle nanostrutture è possibile modificare o rivestire le superfici per renderle resistenti ai graffi, non bagnabili, autopulenti o sterili. Le prestazioni dei nanomateriali in condizioni estreme e la capacità di fabbricarli con notevolissima precisione ed accuratezza risultano di notevole interesse nella costruzione di componenti per le tecnologie informatiche e di comunicazione nonché nell’industria aeronautica e spaziale.

E in campo medico? Le prospettive appaiono particolarmente promettenti e si sono già registrati significativi risultati nel campo della diagnostica precoce di numerose patologie mediante bionanosensori, del rilascio controllato di farmaci mediante nanocapsule, nell’affascinante area del nanoimaging che consente addirittura il monitoraggio del traffico cellulare con nanoreporters legati a singole biomolecole o virus!

I rivestimenti a base nanotecnologica possono migliorare la bioattività e la biocompatibilità dei trapianti; le strutture molecolari autoorganizzanti aprono la strada a nuove prospettive nell’ingegneria dei tessuti e dei materiali biomimetici con la possibilità a lungo termine di sintetizzare la sostituzione degli organi.
Sviluppi nella nanoelettronica dei biochips in grado di rilevare e processare l’informazione sensoriale possono portare, nel lungo termine, alla realizzazione di retine artificiali. Infine, sensibili progressi si segnalano nell’ambito della comprensione dei meccanismi di funzionamento delle proteine, anche in relazione a patologie, siano esse di carattere genetico oppure no.

Non meno interessanti le potenzialità in ambito energetico: la produzione e la conservazione dell’energia possono beneficiare di nuove celle a combustibile (anche a biocombustibile), di batterie di concezione avanzata o di nuovi solidi nanostrutturati leggeri in grado di garantire un efficiente immagazzinamento dell’idrogeno. Sono inoltre in fase di sviluppo celle solari fotovoltaiche a basso costo (per esempio del tipo a vernici solari) basate su nanomateriali. Si prevede anche che gli sviluppi in materia di isolamento, trasporto ed illuminazione consentiranno considerevoli risparmi energetici.

In un contesto ambientale le potenzialità riguardano la riduzione della quantità dei rifiuti durante l’intero ciclo di vita dei prodotti, in linea con gli obiettivi dell’Agenda 21 per quanto concerne lo sviluppo sostenibile, e con quelli del piano di azione europeo.

Tutti questi possibili sviluppi hanno spinto molti Paesi ad avviare programmi di ricerca e sviluppo, con investimenti sostanziosi. Si calcola che gli investimenti pubblici, a livello mondiale, siano passati dai 400 milioni di euro nel 1997 agli attuali 3 miliardi di euro. Nel settore privato una stima, ovviamente più approssimativa, fa risalire l’ammontare degli investimenti a circa 2 miliardi di euro. Il finanziamento mondiale complessivo ammonta quindi a circa 5 miliardi di euro.

Sotto un profilo economico: sono già stati commercializzati vari prodotti (in campo elettronico, medicale, sportivo, cosmetico) basati sulle nanotecnologie e si stima che questi prodotti rappresentino attualmente un mercato di circa 2.5 miliardi di euro, che potrebbero raggiungere la quota di centinaia di miliardi di euro entro il 2010.

Concluderemmo dicendo che quella che va aprendosi è un’autentica nuova rivoluzione industriale, per il momento ancora piuttosto confinata nella sfera di interesse degli addetti ai lavori, ma che sempre più avrà impatti sostanziali sul nostro quotidiano.

a cura di Alessandro Moroni

Un ringraziamento particolare alla Dott.ssa G. Raffaini del Politecnico di Milano, per la cortese assistenza fornita nella stesura dell’articolo.