Un team di ricercatori della Cornell University si è recentemente dedicato all’antica arte giapponese dell’origami utilizzando un materiale molto particolare: un foglio di grafene.
Non si è trattato, però, di un exploit artistico in chiave hi-tech: la tecnica sviluppata e utilizzata da Itai Coehn e dal suo team permetterà infatti di realizzare strutture tridimensionali in scala nanometrica, microscopici robot e circuiti elettronici flessibili.
La piega più sottile del mondo. Il grafene è un foglio di carbonio dello spessore di un atomo e dalle caratteristiche strabilianti: è il materiale più resistente mai realizzato e un efficientissimo conduttore elettrico.
Lo scorso anno un gruppo di scienziati cinesi era riuscito a costruire un robot-origami di grafene in grado di piegarsi e montarsi da solo, ma avevano utilizzato diversi strati di materiale. Nessuno fino ad oggi era riuscito a piegare un singolo foglio di grafene.
«Le regole di piegatura sono le stesse in scala macro e in scala nano», commenta Cohen: «piegare un foglio spesso un atomo è solo... più complicato!»
Gli scienziati hanno ricoperto un foglio di grafene con uno strato di diossido di silicio (SiO2, la silice) dello spessore di mezzo nanometro. Questo materiale reagisce con gli atomi di carbonio del grafene in modo diverso a seconda che venga scaldato, attraversato da una corrente elettrica o imbevuto di liquido con pH differente.
Questo comportamento della silice ha permesso ai ricercatori di controllare espansioni e contrazioni del grafene così da riuscire a piegarlo secondo lo schema predefinito. «Abbiamo veramente raggiunto il limite: non è possibile andare oltre», afferma con sicurezza Cohen.
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.]
Nanoprocessori pieghevoli. Ora gli scienziati puntano ad aggiungere al processo oro, semiconduttori e isolatori, per costruire minuscoli circuiti elettrici. Si potrebbe così stampare un circuito su un foglio di grafene e piegarlo in una struttura tridimensionale in grado di assorbire la luce e generare corrente elettrica. Un processore di questo genere potrebbe eseguire dei calcoli e restituire il risultato sotto forma di luce a diverse frequenze.
Lo studio verrà presentato questa settimana alla convention annuale dell’American Physical Society.
