Se il vostro soggetto rischiasse un'ustione da flash ci pensereste due volte, prima di scattargli una foto. È lo stesso problema che i biologi incontrano quando vogliono fotografare una proteina: le tecniche microscopiche oggi utilizzate rischiano di danneggiare il campione. Ma le cose potrebbero presto cambiare, e ancora una volta lo dobbiamo al grafene.
Ricercatori dell'università di Zurigo sono riusciti per la prima volta a ritrarre una singola proteina, unendo una "delicata" tecnica di visualizzazione all'utilizzo del materiale che sta rivoluzionando l'elettronica e non solo.
A che cosa serve? Ottenere foto di singole molecole non è un puro esercizio di stile. Capire la loro struttura e funzionalità è importante, per lo studio di quelle patologie in cui questi parametri sono alterati (come la malattia di Alzheimer).
Foto di gruppo. Ma i metodi di visualizzazione usati finora - come la cristallografia ai raggi X o la crio-elettromicroscopia, che illuminano il campione con fasci di raggi X o elettroni altamente energetici - rivelano la posizione e le sembianze "medie" non di una, ma di milioni di molecole, restituendo un'immagine piuttosto confusa. Non è possibile concentrarsi sulla singola molecola, sia perché è alto il rischio di danneggiarla, sia perché è difficile fissarla su un campione.
In posizione. Jean-Nicolas Longchamp, autore dello studio, ha spruzzato su un foglio di grafene una soluzione contenente le proteine da analizzare (fissandole così al supporto) e ha poi utilizzato uno speciale microscopio che ricostruisce l'immagine grazie all'interferenza tra elettroni, per ottenere le foto.
Sottile al punto giusto. La tecnica utilizza un fascio elettroni a bassa intensità per non danneggiare il campione. Perfetta, per l'integrità delle proteine, ma troppo debole per penetrare un normale vetrino da microscopio. E qui entra in gioco il grafene, abbastanza sottile da lasciarsi attraversare dal debole fascio di elettroni.
Confronto riuscito. Il team ha fotografato diverse proteine, tutte di pochi nanometri (milionesimi di millimetri) di dimensione, come l'emoglobina presente nei globuli rossi. Le immagini combaciano perfettamente con i modelli ricavati dalle tecniche precedenti, segno che la tecnica è accurata. Ora questo metodo verrà applicato anche ad altri tipi di molecole che non possono essere osservate con le tecniche tradizionali.
La Gioconda, nota anche come Monna Lisa, è un dipinto a olio su tavola di dimensioni contenute (77x53 cm), un fatto che sorprende sempre chi lo vede per la prima volta vista la notorietàà mondiale del dipinto.
Accanto, il lavoro dei ricercatori del Georgia Institute of Technology "fotografato" con lo stesso strumento usato per realizzarlo (un microscopio a forza atomica): la Mini Lisa è ancora più sorprendentemente piccola, circa 30 micron, meno della metà di un capello.
Non è la prima volta che gli scienziati si cimentano nella creazione di opere d'arte e altre curiosità in dimensioni nanometriche, per dimostrare le potenzialità della manipolazione della materia a livello atomico. Le foto di questa gallery mostrano diversi esempi molto originali di queste esibizioni di arte e tecnologia, mentre l'ultima immagine della serie permette di confrontare le misure del nostro mondo.
Negli anni '80 nuovi microscopi hanno permesso di entrare in profondità nella materia, di "vederla" da una prospettiva impensabile e persino di manipolare singoli oggetti delle dimensioni di pochi nanometri (pochi miliardesimi di millimetro). I pionieri dei "nano mondi" erano fisici, chimici, biologi... Raggiunti poi da altri esperti di realtà immaginate: artisti della fotografia, scultori, sognatori di forme. Come Alessandro Scali, Robin Goode e Grit Ruhland, autori di queste nano opere realizzate in un "atelier" molto particolare, il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Torino.
A questa scala il materiale da costruzione più comune ha dimensioni che vanno dai 50 ai 200 nanometri; gli "ingombranti" arrivano a 500 (e sono ancora cinquanta volte più piccoli del diametro di un capello di neonato); i giganti viaggiano nell'ordine dei micron (millesimi di millimetro). E sono atomi e molecole! Deve essere stata una decisione... difficilissima, quella di lasciare un messaggio sui muri del nuovo mondo.
(Scemo chi legge, di Alessandro Scali e Robin Goode)
Le immagini fotografiche dei nano mondi ci arrivano colorate, ma si tratta di artifici tecnologici usati solo per rappresentare i paesaggi e le forme che vi si trovano. Questi non sono "colori veri", come quelli che conosciamo, perché la luce visibile ha una lunghezza d'onda troppo grande per la dimensione nanometrica: la luce "non riesce a entrarci"! Perciò l'immagine, che non è una fotografia per come la conosciamo ma il risultato dell'osservazione fatta adoperando il microscopio a forza atomica, viene poi elaborata al computer per aumentarne la definizione (altrimenti molto scarsa) e rendere più evidente quello che c'è nell'area di intervento.
(Libertà condizionata, di Alessandro Scali e Robin Goode)
Come per "anno luce" su scala cosmica, la parola "nanometro" è troppo lontana dalla nostra esperienza quotidiana per permetterci di capire quali sono le dimensioni nei nano mondi. Non è come aver fatto un passo in avanti in un processo di miniaturizzazione: per quanto piccola sia, la micro elettronica ha sempre dimensioni umane! Le nano scienze ci hanno invece portato "dentro" alla materia, che, vista da questa prospettiva, ha rivelato aspetti sorprendenti: è irregolare, rugosa, imperfetta... Eppure, con una interminabile sequenza di zoomate al contrario vedremmo infine il contenitore di Actual Size nella forma riconoscibile di una piastrina di silicio, lucida e levigata. È un po' come fermarsi davanti allo spettacolo unico della Terra vista dallo spazio, e poi venire giù e scoprire che ci sono l'inquinamento, la deforestazione e tutto il resto. O l'Africa, il continente dimenticato da cui tutto ha avuto inizio.
(Actual Size, di Alessandro Scali e Robin Goode)
Tra 1 e 100 nanometri le proprietà fisiche dei materiali sono diverse da quelle dei singoli atomi o molecole e, soprattutto, sono molto diverse da quelle dei "materiali estesi" di cui fanno parte. Per esempio, esplorando i nano mondi si è scoperto che rendere più rugosa una superficie può ridurre l'attrito nella nostra dimensione: sembra un paradosso, perché è in aperta contraddizione con tutte le nostre convinzioni, ma aprire fori e creare "rughe" su di uno strato atomico di materiale pare favorire lo scivolamento anche in carenza di lubrificante. Partendo da atomi e molecole, a monte della distinzione tra materia organica e inorganica, si incontrano quindi risposte inattese alle questioni aperte della scienza e ad alcuni problemi del nostro tempo (energia e trasmissione delle informazioni, per esempio). Forse non è la strada che porta al paradiso, ma se c'era bisogno di un cammello molto molto piccolo per provarci... be', eccolo.
(La chiave per il Paradiso, di Alessandro Scali e Robin Goode)
A questa scala non c'è una disciplina scientifica che domina sulle altre: qui i territori della fisica, della chimica, della biologia, dell'ingegneria e di altre scienze (anche umanistiche) si intersecano in continuazione. Uno degli aspetti più impegnativi del lavoro di scienziati e ricercatori è quello di progettare strumenti ad hoc per questa o quella ricerca, e così facendo scoprono nuove nano proprietà e aprono nuovi territori alla ricerca. Come quello dell'organizzazione spontanea di atomi e molecole, ossia della naturale capacità della materia di aggregarsi per svolgere uno specifico compito. È così che nasce... tutto! Un minerale di ferro, un cristallo di sale, una proteina, il Dna, noi stessi! Arrivare a conoscere le interazioni che innescano questi processi, e arrivare a controllarle, significherà essere capaci di costruire nuovi materiali e praticamente qualunque altra cosa. Queste sono le nostre Colonne d'Ercole.
(Oltre le colonne d'Ercole, di Alessandro Scali e Robin Goode)
Le immagini di questa piccola rassegna hanno dato vita alla mostra "Nanoarte", inaugurata a Bergamo Scienza 2007 (ottobre). Complessivamente sono il frutto di due anni di stretta collaborazione artistico-scientifica: «Da qualche settimana a qualche mese per ogni opera», racconta Fabrizio Pirri, responsabile del progetto al Dipartimento di Fisica dell'Università di Torino, «in un susseguirsi di incontri con gli artisti per discutere di "messaggio", bozzetti e tecnologie» per superare le difficoltà dell'agire a questa scala, senza mai poter vedere un "work in progress", ma passando direttamente dall'idea al lavoro finito. Che spesso era... "tutto da rifare!" È giusto riposare dopo un tale impegno, mettersi comodi. Peccato che questa pantofola sia fuori misura per gli umani: chi mai indossa calzature di taglia 150 nanometri?
(Pantofole per un animale pantofolaio, di Grit Ruhland)
Quello nella foto è un campione di silicio: "dentro" alla materia di cui è fatto c'è una delle opere nanometriche presentate in queste pagine... Gli strumenti per vederle e realizzarle sono stati costruiti a partire dagli anni '80. Eccone una breve descrizione.
Microscopio elettronico a scansione (SEM). Un fascio di elettroni colpisce la materia, che risponde emettendo numerosi segnali: alcuni di questi vengono catturati e convertiti in impulso elettrico.
Microscopio a forza atomica (AFM). Oltre che per l'osservazione, l'Afm è uno dei principali strumenti di manipolazione della materia a dimensione nanometrica. Consiste in una "punta" di silicio posta a contatto oppure in prossimità della superficie del nano mondo. Tra punta e materiale si manifestano delle forze che, misurate, sono poi tradotte in immagini.
Microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Un fascio di elettroni viene fatto incidere sul campione: il fascio di ritorno crea l'immagine.
Microscopio a scansione a effetto tunnel (STM). Utilizza i principi della meccanica quantistica: consiste di una "punta" che termina con un singolo atomo e viene fatta muovere a pochi nanometri dalla superficie, come una sonda su di un pianeta alieno. L'STM fornisce un'immagine tridimensionale dell'ambiente.
Quest'illustrazione che mostra un nanorobot sulla testa di uno spillo (dal diametro di un millimetro) precorre l'utilizzo futuro di queste microscopici concentrati di altissima tecnologia nei campi più svariati. Al primo posto in assoluto il campo medico, dove per esempio questa mini siringa potrà iniettare un farmaco specifico, muovendosi all'interno del corpo umano. Il piccolo ragno computerizzato è infatti dotato di zampe che gli permetteranno di raggiungere il luogo in cui agire in modo mirato. L'ordine di grandezza su cui lavorano le nanotecnologie è il nanometro, dove nano è il prefisso di unità di misura che moltiplica il valore di questa per 10-9. Un nanometro equivale cioè a 10-9 metri.
Ci sta tutto sulla punta di un dito, questo camaleonte nano (Brookesia therezieni) che vive nel Madagascar e che è probabilmente il rettile più piccolo del mondo con la sua lunghezza che va dai 2 ai 10 centimetri. Tra gli animali che battono record di piccolezza, va ricordato il più piccolo anfibio conosciuto, l'Eleutherodactylus limbatus, che nella massima maturazione è lungo da 8,5 a 12 millimetri.
Il titolo di lucertola più piccola del mondo va infine, a pari merito, alla Sphaerodactylus parthenopion e alla Sphaerodactylus ariasiae, che non superano mediamente i 16 millimetri di lunghezza.
Anche gli scienziati qualche volta si divertono a creare forme e geometrie che hanno più a che fare con l'arte che non con la fisica o la tecnologia, basti pensare al lavoro di Ghim Wei Ho che svolge le sue ricerche presso il Nanoscience Centre dell'università di Cambridge (Inghilterra). Questa volta la creazione è opera di Eric Heller, professore di fisica presso la Harvard University (Cambridge, U.S.A.): la sua arte è ispirata al mondo che non è visibile direttamente, vale a dire il regno di elettroni, atomi e molecole. Ha così creato una serie di immagini digitali dove a disegnare onde, strutture caotiche e bizzarri effetti sono proprio atomi e particelle quantiche.
Nella fotogallery "Benvenuti nel nanomondo", dedicata alle bellezze (e non solo) della nanotecnologia, abbiamo accennato allo scoperta dei fullereni che hanno aperto la strada a questa nuova frontiera della scienza. Qui accanto, lo schema grafico di un nanotubo che contiene proprio una serie di fullereni, vale a dire molecole sferiche composte da 60 atomi di carbonio. Il nanotubo, meno della miliardesima parte di un capello umano, così equipaggiato, è un buon conduttore di calore ed elettricità. Mutando il numero dei fullereni al suo interno, si alterano le proprietà di conduzione, rendendolo isolante od ottimo conduttore. I picchi sovrapposti sono il risultato della misurazione di queste proprietà.
Il microscopio a scansione ad effetto tunnel è uno strumento inventato negli anni Ottanta da due ricercatori dei laboratori IBM di Zurigo, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, che per questa scoperta ottennero anche il Premio Nobel per la Fisica nel 1986. La foto in questo caso avviene su scala atomica, ma ad essere fornita non è un'immagine diretta dell'oggetto. La tecnica si basa sulla cosiddetta corrente dovuta all'effetto tunnel: una punta molto sottile è avvicinata ad una distanza fissa alla superficie di un solido ed è eseguita la scansione la struttura della superficie, fino a visualizzare gli atomi che la compongono, osservando come questi vibrano. La risoluzione, altissima, arriva all'ordine di grandezza di 0,2 nanometri. Nella foto, la catena della doppia elica di una molecola di DNA.
Una vespa al microscopio con una particolarità: l'insetto (classe Hymenoptera) tiene stretto tra le sue mandibole un microchip, un circuito integrato che contiene transistor e connessioni elettriche.
Un dossier sulle nanotecnologie pubblicato su Focus n.122 (dicembre 2002) ha fatto luce sui nuovi sviluppi del "piccolissimo". Nel campo dell'elettronica la ricerca è particolarmente vivace visto che costruire transistor sempre più piccoli consente ai bit nei circuiti integrati di muoversi in modo più veloce. Maggiore velocità in questo ambito significa, ad esempio, computer sempre più veloci.
Nel 2003 transistor di 90 nanometri saranno realtà.
I ricercatori che lavorano nel campo delle nanotecnologie con lo scopo di progettare congegni che riproducano funzionalità di atomi e molecole, non ne vogliono sentir parlare. È chiaro che non riusciranno mai a infilare un'equipe medica in un sottomarino microscopico e a spedire il tutto in una vena del sangue, come avveniva nel celebre film del 1966 Viaggio allucinante (Fantastic Voyage).
Quello che sono riusciti a fare nel laboratorio della MicroTEC presso Duisburg (Germania) è stato comunque costruire un sottomarino utilizzando laser computerizzati per polimerizzare (solidificare) del liquido acrilico riproducendolo la forma del sottomarino della foto.
Per conoscere le svariate applicazioni delle nanotecnologie vi rimandiamo ad un dettagliato servizio nel numero 98 di Focus (dicembre 2000): "Mini, micro, nano".
La nanotecnologia è un campo di ricerca che ha per oggetto strutture funzionali, ossia oggetti, macchine, che hanno dimensioni tra 1 e 1.000 nanometri: sono cioè al di fuori delle normali esperienze umane. Negli ultimi anni sono stati sviluppati strumenti che permettono di fabbricare tali oggetti manipolando la materia a livello atomico, e la ricerca è letteralmente esplosa, sia per il fascino, anche intellettuale, di poter costruire strutture e molecole un atomo alla volta, sia perché adesso è possibile creare materiali e "congegni" utili, che hanno un impatto reale sulla vita e sulla società.
LE NANOTECNOLOGIE Ci sono tre i principali rami di sviluppo e applicazione di questa nuova scienza: wet, dry e computational.
Wet, umida: riguarda i sistemi biologici che si sviluppano in ambiente umido. Le funzioni degli organismi viventi sono regolate dall'interazione di strutture biologiche in scala nanometrica, come il materiale genetico, le membrane, gli enzimi e altri componenti delle cellule. Lo sviluppo di conoscenze e tecnologie per manipolare queste strutture biologiche è il campo di applicazione della "wet nanotechnology".
Dry, asciutta. Deriva dalla fisica e dalla chimica: il campo di studi comprende strutture in carbonio (come i nanotubi), silicio e altri materiali inorganici. Ha applicazioni in campo elettronico, magnetico e ottico, ma uno degli obbiettivi più ambiziosi della nanotecnologia "asciutta" è quello di creare strutture inorganiche capaci di svilupparsi in modo autonomo, come quelle organiche.
Computational, informatica. Ha l'obiettivo di sviluppare sistemi di progettazione e simulazione del comportamento di strutture nanometriche complesse. Poter disporre di modelli previsionali affidabili è indispensabile, e non solamente per via delle dimensioni delle strutture progettate (che non possono essere sperimentate in modo tradizionale): la natura ha impiegato milioni di anni per sviluppare le sue "strutture biologiche" di successo, mentre noi, in pochi decenni, possiamo crearne di nuove. Che potrebbero avere sulla vita un impatto maggiore di quelle naturali. [I.Z.]
Hanno il fascino dei fiori reali ma sono grandi poco meno di un millimetro e fatti di cristallo: sono le "nanocreazioni" di Wim L. Noorduin, ricercatore presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences.
Li ha realizzati miscelando all'interno di una provetta sali di bario, monossido di carbonio e altre sostanze chimiche, che si sono aggregate secondo precisi disegni grazie alle loro proprietà fisiche.
La precipitazione dei cristalli in una soluzione dipende da diversi fattori come il pH, la densità, la salinità ecc: a seconda delle condizioni i cristalli tendono ad avvicinarsi o ad allontanarsi dando così forma a strutture tridimensionali diverse.
Noorduin ha insomma sfruttato gli stessi principi chimico-fisici grazie ai quali i cristalli di calcio, nell'acqua di mare, si uniscono a formare le delicate strutture curvilinee delle conchiglie.
Foto: © Courtesy of Harvard University
Un prato fiorito? No, è un'altra delle creazioni in provetta di Wim L. Noorduin.
In questo lavoro la vera sfida è stata trovare il giusto equilibrio tra tutti i parametri all'interno della provetta, così da far aggregare i sali secondo gli schemi desiderati.
"È veramente possibile collaborare con il processo di auto-assemblaggio dei cristalli" spiega lo scienziato. "La loro precipitazione è spontanea ma può essere manipolata agendo sulle variabili ambientali, così da scolpire le forme desiderate"
Aumentare la concentrazione di monossido di carbonio, per esempio, favorisce la formazione di strutture a foglie larghe, mentre un incremento del pH al momento giusto crea forme curve e ingarbugliate.
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Foto: © Courtesy of Harvard University
Alcune delle nanosculture di Noorduin sembrano piante aliene uscite da un film di fantascienza.
"Osservare questi cristalli al microscopio elettronico è davvero affascinante: sembra di immergersi nel mare, tra spugne e coralli. È talmente bello da osservare, che a volte mi sono completamente dimenticato di scattare le fotografie" racconta lo scienziato.
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Un'altra spettacolare composizione nanometrica ottenuta sfruttando le proprietà di auto-aggregazione dei sali in una provetta.
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Un improbabile scultura, un po' fiore un po' alga, ma anche questa di dimensioni nanometriche.
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