La nanotecnologia è una branca della chimica e dell’ingegneria dedicata alla progettazione, produzione e utilizzo di strutture, dispositivi e sistemi ottenuti manipolando atomi e molecole su scala nanometrica.
Il concetto di nanotecnologia fu introdotto dal fisico americano e premio Nobel per la Fisica nel 1965 Richard Feynman.
Nel 1959 una conferenza dal titolo “There’s Plenty of Room at the Bottom” al California Institute of Technology presso l’American Physical Society Feynman pose dapprima questa domanda: “Perché non possiamo scrivere tutti i 24 volumi dell’Enciclopedia Britannica sulla capocchia di uno spillo?”. Poi descrisse una visione dell’uso di macchine per costruire macchine più piccole e fino al livello molecolare.
Incredibilmente la natura ci fornisce esempi di nanotecnologia a partire da particelle fini, ceneri inorganiche, fuliggine, zolfo e particelle minerali presenti nell’aria o nei pozzi, fino alle nanoparticelle di zolfo e selenio prodotte da molti batteri e lieviti.
Questi nanomateriali sono interamente naturali e, non a caso, c’è un crescente interesse per lo sviluppo di nanoprodotti naturali che possiedono proprietà fisiche e chimiche uniche rispetto ai loro omologhi a scala macroscopica. La nanotecnologia rappresenta quindi un’area di ricerca in espansione, che coinvolge strutture, dispositivi e sistemi con nuove proprietà e funzioni.
Nanotecnologia e nanomateriali
La nanotecnologia attiene tutti i campi della scienza, tra cui fisica, scienza dei materiali, chimica, biologia, informatica e ingegneria per ottenere nanomateriali. La sintesi di nanomateriali, che sostituisce il primo passo nella ricerca e nello sviluppo della nanotecnologia, prevede due approcci denominati top-down in cui il materiale di partenza è allo stato solido e bottom-up in cui il materiale di partenza è allo stato gassoso o allo stato liquido.
L’approccio top-down si riferisce a un processo sottrattivo in cui si riducono macrostrutture a dimensioni nanometriche, mentre quello bottom-up si riferisce a un processo additivo che inizia con atomi precursori o molecole che si combinano per formare una struttura nanometrica ossia nell’ordine dei nanometri (nm), dove un nanometro corrisponde a 10-9 m.
Nell’approccio bottom-up le forze a corto raggio come quelle di van der Waals, forze elettrostatiche, interatomiche o intermolecolari fanno sì che questi atomi o molecole si uniscano in particelle di dimensioni nanometriche. La tecnica è utilizzata principalmente nella sintesi chimica di nanoparticelle grazie alla controllabilità delle dimensioni e delle proprietà dei materiali attraverso un adeguato controllo delle condizioni di reazione.
Oltre a questi due approcci vi è la nanotecnologia a secco utilizzata per fabbricare strutture in carbone, silicio, materiali inorganici, metalli e semiconduttori che non funzionano in presenza di umidità e quella umida che si basa su sistemi biologici presenti in ambienti acquosi, come materiale genetico, membrane, enzimi e altri componenti cellulari.
La nanotecnologia si è orientata, negli ultimi tempi, sui metodi per produrre nanomateriali metallici e organici utilizzando metodi di sintesi che rispettano i dettami della chimica verde. Questi metodi ecologici fanno uso di reagenti a base biologica per la sintesi di nanomateriali. Tuttavia, l’utilizzo di biomolecole di origine vegetale pone questioni etiche in relazione all’uso delle piante, che costituiscono una fonte di cibo.
Applicazioni della nanotecnologia
La nanotecnologia e i nanomateriali possono essere applicati in tutti i tipi di settori industriali. Nell’elettronica i nanotubi di carbonio sono deputati a sostituire il silicio come materiale per realizzare microchip e dispositivi più piccoli, più veloci ed efficienti e il grafene per lo sviluppo di touchscreen flessibili.
In campo medico i nanomateriali possono essere utilizzati nella terapia e nel rilascio mirato di farmaci, nella diagnosi precoce delle malattie e nell’ingegneria dei tessuti. Alcune nanoparticelle sono state utilizzate anche per migliorare le prestazioni di prodotti farmaceutici. In campo energetico si possono ottenere celle solari più efficienti aumentando
la quantità di luce solare convertita in elettricità, batterie ad alta capacità di stoccaggio e catalizzatori per processi di produzione di energia pulita.
La nanotecnologia consente di ottenere materiali per la depurazione dell’acqua, il rilevamento e il trattamento di inquinanti e per il monitoraggio ambientale. Nel tessile consente di sviluppare tessuti intelligenti che non si macchiano e non si sgualciscono, materiali più resistenti, leggeri e durevoli per realizzare caschi da moto o attrezzature sportive.