domenica 28 aprile 2013

L'era del grafene - il 'Materiale delle meraviglie'

Se il silicio ha fatto la storia della tecnologia e dei computer, è certo che il grafene ne scriverà il futuro, consentendo di raggiungere traguardi neppure immaginabili. Il grafene è un nanomateriale estratto dalla grafite e si presenta come un foglio ultrasottile di carbonio dello spessore di un solo atomo, che presenta una nanostruttura perfettamente regolare a celle esagonali, praticamente trasparenti.
Stiamo parlando di un materiale molto malleabile, facilmente pieghevole, ma che, allo stesso tempo, è 100 volte più resistente dell'acciaio.
L’ordine perfetto della sua nanostruttura atomica fa sì che gli elettroni si muovano al suo interno come se non avessero massa, alla velocità di 1 milione di metri al secondo, senza subire deviazioni. Queste caratteristiche fanno del grafene un conduttore 10 volte più efficace del rame.

La scoperta di questo straordinario materiale è avvenuta nel 2004 ad opera di due ricercatori della University of Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov con un esperimento a dir poco banale che valse loro il nobel per la fisica. Essi misero della grafite su un semplice nastro adesivo appiccicando ripetutamente le estremità; servendosi poi di un potente microscopio, hanno osservato che sul nastro si sono depositati invisibili fogli di grafene. Questa scoperta ha aperto la strada ad applicazioni potenzialmente infinite.
 In un chip di 1 centimetro quadrato si possono depositare 8 miliardi di fogli di grafene per costruire computer centinaia di volte più veloci, touch screen pieghevoli e batterie quasi inesauribili, senza contare la realizzazione di

nuovi microprocessori, transistor e circuiti più piccoli, veloci e performanti grazie alla capacità del grafene di mantenere le sue proprietà anche a dimensioni molto ridotte, superando i limiti dimensionali del silicio.
Anche il Politecnico di torino, in collaborazione con il 'Cnr' (centro nazionale ricerche), il politecnico di Milano,  l' 'Istituto italiano di tecnologia', la 'Bruno Kessler Foundation', l'Università di Trieste e la 'ST Microelectronics' ha avviato un progetto chiamato 'Graphene' con «l'ambizioso obiettivo a lungo termine -   racconta Roman Sordan, del laboratorio Lness del Polo di Como del Politecnico - di superare le limitazioni imposte dalla legge di Moore sulla potenza di calcolo dei computer, rimpiazzando nei circuiti integrati i semiconduttori convenzionali come il silicio con il grafene». «Nel lungo termine potremmo avere un materiale che si integri con tutti gli oggetti della nostra vita quotidiana: un'elettronica basata sul carbonio che sia più pervasiva - fa notare il ricercatore italiano Vincenzo Palermo dell'Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività del Cnr».
Di seguito il link che riporta l'articolo de 'il sole 24ore':

http://www.swas.polito.it/services/Rassegna_Stampa/articolo.asp?ID=4028-166685617.pdf




domenica 21 aprile 2013

Nanotecnologie al servizio dell'antico


La lezione di venerdì 12 aprile del corso 'storia della tecnologia', tenuta dal professor Vittorio Marchis a proposito della trattatistica medievale mi ha suscitato una questione: ma è mai possibile che le nuove frontiere della microtecnologia non possano contribuire alla preservazione dei testi antichi così che si riescano a limitare i danni causati dal passare del tempo?

La risposta a tale domanda l'ho avuta in un intervista del professor Piero Baglioni, docente di chimica e fisica e direttore del CSGI ( Consorzio interuniversitario per lo sviluppo dei sistemi a grande interfase) del campus universitario fiorentino.

Nell'intervista rilasciata il 27 aprile su 'La repubblica' egli spiega come i ricercatori del CSGI hanno realizzato due progetti per l’utilizzo di nanoparticelle di idrossido di calcio per salvaguardare dall’invecchiamento sia gli affreschi che i libri antichi.
E’ noto che la presenza di acidi nella carta è il maggior responsabile della degradazione, con conseguente perdita di informazioni e di importanti documenti storici. Molte tecniche e prodotti sono stati studiati o sviluppati allo scopo di eliminare l’acidità dalla carta, ma l’uso di soluzioni acquose di calcio, magnesio e idrossido di bario hanno dato risultati poco confortanti con diversi effetti non desiderati, a causa delle forti condizioni alcaline. Una soluzione particolarmente interessate è stata proposta dal CSGI utilizzando idrossido di calcio, un eccellente deacidificatore, il quale diventa un ottimo sistema per neutralizzare gli acidi, una volta diventato carbonato di calcio. Il progetto denominato “ NANOTECHNOLOGY FOR PAPER DEACIDIFICATION: BASIC DISPERSIONS THEIR PREPARATION AND USE IN PROCESSES FOR PAPER DEACIDIFICATION“, prevede l’uso di nanoparticelle di idrossido di calcio disperse nell’alcool, le quali penetrano nella carta offrendo una innovativa soluzione per la deacidificazione, riequilibrando il ph a 7,5-8, quota ottimale per la conservazione della carta.
Le nanoparticelle di idrossido di calcio sono state considerato anche come un’ottima soluzione per il rinforzamento dei dipinti sui muri, in quanto chimicamente e fisicamente compatibili ed in grado di penetrare nei pori del muro stabilizzando il dipinto e preservando i colori ed i tratti originali dell’opera. Sfortunatamente la poca solubilità dell’idrossido di calcio nell’acqua ha creato diversi problemi per l’applicazione della tecnica, oltre alla negativa formazione di una patina bianca sul dipinto.

Nel progetto denominato “ NANOTECHNOLOGY IN C.H.C.: CONSOLIDATION OF

FRESCOES” i ricercatori del CSGI hanno sintetizzato nanoparticelle di Ca(OH)2, ottenendo un solvente stabile. La dispersione stabile di idrossido di calcio è stata applicata con successo, durante la restaurazione del dipinto a muro da Santi Tito nella Cattedrale di Firenze.I nuovi procedimenti sono stato subito brevettati ed attualmente sono in corso esperimenti e test in diversi Paesi.
Al fine di approfondire  e di incrementare l'interesse per il binomio scienza-restauro, vi rimando alla seguente pagina:
http://www.toscanarestauro.it/pdf/scienza-dedicata-restauro.pdf#page=1&zoom=auto,0,800  , che tratta in particolare la scienza applicata al restauro delle opere d'arte nel territorio toscano.


lunedì 15 aprile 2013

L'intelligenza nanorobotica nella medicina

Sembra pura fantascienza, invece è uno dei settori più innovativi della medicina: le cure miniaturizzate. Nei laboratori si sperimentano strumenti di dimensioni infinitamente piccole in grado di insinuarsi nel Dna per modificare un gene difettoso e si studiano farmaci così piccoli da essere somministrati su una singola cellula malata. Questo è il compito di un robot microscopico che, grazie alle sue dimensioni lillipuziane, si avvicina direttamente ai globuli rossi nel sangue per ripararli. Tra qualche anno, grazie alle innovazione portate dalla ricerca nell'ambito delle nanotecnologie, saremo capaci di agire direttamente su atomi e molecole poichè i farmaci saranno prima trasportati all'interno del corpo umano e poi somministrati attraverso dei micro-aghi che permettono di introdurre all`interno di una cellula malata qualunque tipo di molecola, senza dover usare altri veicoli più difficili da gestire, come virus modificati . Sarà possibile anche inserire piccolissimi microchip (simili a quelli che fanno funzionare i computer, ma di dimensioni molto più ridotte) nelle protesi ossee o in quelle uditive, per renderle più efficienti. Ma perché le nanoparticelle sono così interessanti? Perché sotto i 100 nanometri la materia esibisce comportamenti nuovi e inaspettati. L`oro, ad esempio, a livello macroscopico è inerte, cioè non reagisce con niente; Nel mondo nano, invece, cambia colore e può mostrare proprietà catalitiche,cioè è in grado di accelerare reazioni chimiche. Il rame diventa più rigido e l`argento acquista proprietà antibatteriche. I composti di carbonio, invece, danno origine a strutture particolari come nanotubi, fogli piani (grafene) oppure sfere (fullereni), che hanno caratteristiche meccaniche elevate e interessanti proprietà elettriche. Gran parte del lavoro si è svolto in campo genetico e biomedico, perché i nanomateriali sono della giusta dimensione per interagire, da pari a par, con proteine, genio virus. Gli scienziati della University of Sidney  sono riusciti a inserire una particella di ossido di ferro di appena cinque nanometri in un farmaco anticancro, per poi calamitarlo, letteralmente, nelle cellule tu morali, con effetti collaterali molto inferiori rispetto a quelli della chemioterapia.
Rimanendo nell'ambito oncologico,  si punta sulla teranostica, la possibilità di mettere insieme terapia e diagnosi. A consentirlo potrebbero essere speciali nanoparticelle magnetiche, capaci da un lato di potenziare la sensibilità della risonanza magnetica, dall`altro di distruggere in modo mirato le cellule cancerose appena individuate. Queste prospettive sono sorprendenti, ma Nella ricostruzione al computer, un nanorobot inietta un farmaco direttamente in un linfocita infettato dal virus Hiv. Tuttavia, una domanda sorge spontanea dopo una simile analisi: possiamo stare tranquilli o esiste il rischio, concreto, che questi strumenti, così potenti, sfuggano di mano? Proprio attorno a questa preoccupazione gioca il romanzo 'Preda' che mette in scena uno sciame di pericolosi nanorobot, sfuggiti al controllo degli scienziati che li avevano sviluppati. Ad ogni modo, sui possibili rischi che queste innovative ma, proprio per questo, ancora troppo incognite tecnologie ci torneremo in futuro.
Il video che ho inserito rappresenta un estratto della conferenza tenuta da Bradley Nelson a Zurigo. Egli è il professore di 'Robotics and intelligent systems' all'ETH di Zurigo e, nella sua carriera, si è impegnato nello sviluppo della microrobotica e nanorobotica con particolare focalizzazione delle loro applicazioni nell'ambito della biologia e della medicina. Buon ascolto!...


mercoledì 3 aprile 2013

L' ABC della nanotecnologia

A come ANDROIDE :l'automa meccanico che sta prendendo sempre più piede nel panorama mondiale. I primi prototipi di armatura umana risalgono ai tempi di Leonardo da Vinci; al giorno d'oggi, principalmente in Giappone, si sta cercando di portare avanti numerosi progetti che prevedano la costruzione di macchine dalle capacità umane.


B come BIOTECNOLOGIA :negli ultimi anni è stato sperimentato che un sensore nanotech potrebbe essere in grado di identificare i marcatori biologici di una malattia, come il cancro, anche in poche cellule o in un piccolo tessuto. Grazie, infatti, alle piccolissime dimensioni, sarà possibile mettere a punto nuovi strumenti diagnostici, in quanto riusciremmo ad agire laddove serve all'interno della cellula. Tuttavia sono ancora da verificare le conseguenze dell'interazione tra nanoparticelle e sistemi biologici.


C come CHIMICA :le nanotecnologie operano,come la chimica, a livello supramolecolare, in quanto i materiali e i dispositivi sono realizzati partendo da componenti molecolari che si assemblano tramite legami chimici.


D come DIODI :componenti elettronici bipoli che regolano il flusso di corrente elettrica nei due versi. I diodi emettitori di luce (LED) possono emettere anche luce bianca e sostituire la tecnologia tradizionale, garantendo, inoltre, un risparmio energetico del 50%. Oggigiorno la tendenza dei ricercatori è di spostarsi verso i diodi emettitori di luce a base organica (OLED) che permettono la creazione di display molto più sottili.


E come ELETTRONICA :l'utilizzo dei microdispositivi ha fornito un eccellente aiuto allo sviluppo sia dell'ingegneria elettronica analogica che quella digitale; i nuovi transistor 3D, i MOSFET, i JFET e i nuovi CMUT hanno permesso di ampliare notevolmente il raggio d'azione dei nuovi circuiti integrati, non solo nell'ambito informatico o delle telecomunicazioni, ma anche in quello biomedico e energetico.



F come FOTOVOLTAICO :dall'America stanno arrivando sostanziali novità nell'ambito dell'efficienza delle celle solari. Le nuove strutture solari saranno composte da nanoconi tipo-n, ovvero microparticelle costituite da ossido di zinco che serve come quadro di derivazione e conduttore di elettroni. Con questo nuovo approcio si è migliorata la capacità di conversione luce-potenza di oltre il 3%.


G come GRAFENE :nuovo materiale costruttivo, dotato di un'eccezionale resistenza, sottilissimo e ottimo termo-conduttore, eccelente per circuiti elettronici ad altissime prestazioni e a basso consumo, destinato nel futuro prossimo a rivoluzionare l'intero settore dell'elettronica di consumo.


H come HIGH-TECH :L''high-tech' è sovente associata alla microelettronica, ovvero alla tecnologia di alta precisione. I settori principali in cui operano le tecnologie ad alta definizione spaziano dalla fotonica alla robotica, dalla fisica nucleare all'ingegneria aerospaziale.


I come INGEGNERE :letteralmente 'costruttore di macchine'; tuttavia il lavoro degli ingegneri ha permesso un notevole ampliamento degli orizzonti delle nanotecnologie soprattutto all'interno delle apparecchiature elettroniche e meccaniche. A tal proposito è nata, non molto tempo fa, una nuova figura professionale, l'ingegnere meccatronico.


L come LOS ANGELES :la University of California, che ha sede a Los Angeles, da anni si impegna, mediante un approcio multidisciplinare verso la ricerca, a portare avanti il lavoro sulle nanotecnologie segnalandosi come una delle università più all'avanguardia in questo campo. Questo porterà ad usare a nostro vantaggio i risultati della ricerca nell'ambito dell'economia globale, della società e dell'ambiente.


M come MECCANICA :la rivoluzione del mondo della meccanica porterà non solo alla riduzione dello spazio occupato dalle macchine, ma consentirà di controllare le proprietà dei materiali, come la temperatura, o proprietà magnetiche, elettriche, meccaniche e ottiche, senza alterarne la composizione chimica. Inoltre, è già in fase di progettazione, al centro studi 'Ibm' di Zurigo la prima nanomacchina che si muoverà grazie al dna.


N come NANOMETRO :unità di misura che corrisponde a 10^(-9) metri, cioè un milionesimo di millimetro.


O come OTTICA :l'ottica moderna costruisce occhiali con film coating antiriflesso, che hanno lo scopo di ridurre la percentuale di luce riflessa. Questi film hanno uno spessore pari a un quarto di lunghezza d'onda della luce incidente.


P come PIXEL :ciascun elemento puntiforme che compone un'immagine raster digitale; il numero di pixel detrmina la 'risoluzione' dell'immagine, mediamente molto alta nelle nuove nanoapparecchiature e in continua fase di sviluppo, come nei nuovissimi display OLED e a cristalli liquidi.


Q come QUANTO:un 'quanto' è la più piccola quantità che sta alla base di ogni entità fisica durante un'interazione. La meccanica quantistica è alla base dei fenomeni fisici che si verificano su scala microscopica, ovvero nell'ordine della costante di Plank. Nella fomazione di micromateriali, la riduzione a una scalainfinitamente piccola di lavoro fa si che si registrino 'quantum size effect', come l'alterazione delle proprietà elettroniche di certi solidi dovute alle microdimensioni.


R come ROBOTICA :negli ultimi anni l'industria, soprattutto all'estero, sta tornando a ineressarsi della robotica umanoide, basti pensare al 'Robonaut 2', il primo prototipo umanoide astronauta, messo a punto dalla NASA, ma anche la Honda sta investendo molto nella progettazioni di nuovi esemplari umanoidi. La cibernetica ha visto svilupparsi i nuovi colossi giapponesi, mentre all'Italia rimane il primato di aver progettato e costruito il robot-laser.


S come STEVE JOBS : il celebre co-fondatore della Apple che, dopo aver abbandonato precocemente gli studi, dedicò la sua vita alla progettazione di apparecchiature elettroniche sempre più all'avanguardia, dal primo microcomputer 'Apple I' alle nuove frontiere degli anni 2000, l'I-phone prima e l'I-pad poi.


T come TRANSISTOR :microdispositivi e principali costituenti dei chip in grado di erogare quantità sempre maggiori di energia concentrati in dimensioni via via piu ridotte. Recentemente è stato prodotto il transistor più piccolo al mondo costituito solo da un unico atomo proveniente dalla manipolazione atomica sul diamante di silicio. Si prevede che, entro il 2020, si giungerà alla massima miniaturizzazione dei transistor, che miglioreranno le prestazioni dei nuovi computer quantistici.



U come UTILITY FOG :una possibile applicazione delle nanotecnologie, nella quale una nuvola di microscopici robot connessi cambierebbe la propria forma e le sue proprietà per formare oggetti o strumenti macroscopici diversi, rispondendo ai comandi di un software. La utility fog sostituirebbe la maggior parte degli oggetti fisici.


V come VIRUS :i virus sono nanomacchine in grado di recare danni, talvolta irreparabili, alle varie apparechhiature elettroniche, che colpiscono i più reconditi microdispositivi danneggiandone il funzionamento.


Z come ZURIGO :l'ETH di Zurigo, ovvero la prestigiosa università europea che opera nell'ambito scientifico, ha stipulato un accordo con l'IBM per portare avanti la ricerca nell'ambito delle nanotecnologie. Il centro di ricerca della citta svizzera è da sempre considerato il luogo di nascita della nanotecnologia, a partire dalla creazione del microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) presso l’IBM Zurich Research Lab. Questo strumento ha consentito di guardare per la prima volta il mondo degli atomi. Poco dopo, fu proprio un ricercatore IBM a sfruttare questa invenzione diventando la prima persona a manipolare i singoli atomi.