I prodotti dell’industria chimica sono utilizzati per produrre oggetti che variano enormemente nelle dimensioni: da quelle di grandi dimensioni come le travi di ferro per la costruzione di ponti, a quelle piccolissime come i chip di silicio dei microprocessori. E non solo: oggi infatti è disponibile una tecnologia che permette di manipolare materiali su scala atomica o molecolare per produrre oggetti di diametro non superiore a pochi nanometri. Un nanometro è pari a 1 x 10-9 metri (un miliardesimo di metro), che significa 1000 volte più piccolo di un chip di silicio.
I processi utilizzati per produrre e manipolare tali materiali sono noti come nanotecnologie e i loro prodotti sono chiamati nanomateriali.
La nanotecnologia viene utilizzata in chimica, fisica, biologia e ingegneria: la piccolezza delle particelle, infatti, conferisce loro proprietà molto utili: una caratteristica che rende unici questi materiali infinitamente piccoli è che quando sono ridotti in scala nanometrica offrono un elevato rapporto area superficiale/volume. Se noi partiamo da un cubo con il lato di 1 centimetro la sua area superficiale totale sarà pari a 6 centimetri quadrati. Se lo scomponiamo in tanti cubi più piccoli con il lato di 10 nanometri la superfice che noi otterremo sarà pari a 600 metri quadri. Per cui riducendo all’infinitamente piccolo le dimensioni di una stessa struttura quello che noi otteniamo è un’area superficiale enorme e questa può essere funzionalizzata per migliorare le qualità dei materiali stessi. Ad esempio, quando un materiale in polvere viene convertito in particelle di pochi nanometri di diametro, tale aumento di superficie porta ad un aumento del tasso di reazioni che si verificano sulla superficie del materiale. Le piccole dimensioni dei nanomateriali portano anche alla possibilità che essi formino miscele intime con altri materiali al fine di migliorare le proprietà del materiale stesso. Ad esempio nel loro impiego in medicina, tali nanomateriali possono essere ‘adattati’ per migliorare la veicolazione delle molecole, sia di origine naturale sia sintetica, con diverse proprietà .
Come si può vedere nella seguente Figura 3, sono sempre esistiti materiali o oggetti che devono essere misurati in nanometri, ma le tecniche di manipolazione dei materiali su questa scala sono state sviluppate solo negli ultimi venti anni.
L’invenzione e lo sviluppo del Microscopio a effetto Tunnel (STM), un potente strumento per lo studio delle superfici a livello atomico, nel 1981 presso i laboratori IBM in Svizzera ha fornito essenzialmente la tecnologia di base per i lavori su scala nanometrica. Scansionando la superficie dei materiali, non solo è diventato possibile visualizzare singoli atomi e molecole, ma anche raccoglierli e spostarli. Uno dei momenti salienti è stato nel 1989, quando gli scienziati IBM hanno utilizzato il STM per scrivere le lettere I-B-M nei singoli atomi di xeno su una superficie di cristallo di nichel.
Per un STM è considerata buona una risoluzione laterale di 0,1 nm e una risoluzione in profondità di 0,01 nm, con la quale i singoli atomi possono essere osservati e manipolati. Il STM può essere utilizzato non solo in condizioni particolari come l’ultra alto vuoto, ma anche nell’aria, nell’acqua e in vari altri liquidi o gas ambienti e a temperature che variano da quasi zero kelvin a poche centinaia di gradi Celsius.
Il STM si basa sull’effetto tunnel: quando una punta conduttrice è portata molto vicino alla superficie da esaminare, una differenza di potenziale applicata tra i due può permettere agli elettroni di attraversare il vuoto tra di loro per effetto tunnel. La “corrente di tunnelling” che ne risulta dipende dalla posizione della punta, della tensione applicata e della densità locale degli stati (LDOS, Local Density Of States) del campione. Misurando la corrente nei diversi punti della superficie del campione, si ottengono immagini topografiche e altre informazioni. La STM può essere una tecnica impegnativa, in quanto può richiedere superfici estremamente stabili e pulite, punte acuminate, ottimo controllo delle vibrazioni e un’elettronica sofisticata.
Una varietà di materiali ha portato al fiorente uso di nanoparticelle per modificare e migliorare le proprietà dei prodotti. Le strutture in argilla sono costituite da piastrine nanoparticolate e vengono utilizzate nei compositi per ridurre il peso e migliorare la resistenza, ma gli sviluppi più entusiasmanti sono venuti dagli allotropi di carbonio. Ciò è iniziato con la scoperta del buckminsterfullerene, C60, (affettuosamente noto come buckyball, una composizione di molecole di atomi di carbonio 60 naturale, altamente riconosciuta come agente di germi bloccante) nel 1985 (Figura 4), e la successiva produzione di nanotubi di carbonio (Figura 5).
E’ stato però il grafene (Figura 6) ad essere annunciato come materiale “miracoloso”: costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo), ha la resistenza teorica del diamante e la flessibilità della plastica. La prima volta (verso il 1998) fu prodotto tramite esfoliazione meccanica, che consiste nell’applicazione di una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata per staccare e dispiegarne gli strati cristallini fino a ottenere il singolo strato. Il grafene è circa 200 volte più resistente dell’acciaio, ma incredibilmente leggero e flessibile; inoltre è trasparente, termicamente conduttivo, ed anche più elettricamente conduttivo del rame.
Figura 6 Un singolo foglio di grafene. Per gentile concessione di Google 
Figura 5 Modello generato al computer di un nanotubo di carbonio. Per gentile concessione di Thomas Swan and Co Ltd. 
Figura 4 Modello generato al computer di una molecola buckyball (buckminsterfullerene, C60). Per gentile concessione del dottor Alan Smith.
Produzione
I nanomateriali possono essere creati sia riducendo le macro strutture in scala nanometrica (approccio dall’alto verso il basso), sia assemblando strutture a partire da atomi e molecole (approccio dal basso verso l’alto). Un esempio dell’approccio dall’alto verso il basso è costituito dalla produzione di microprocessori, in cui i raggi ultravioletti e i fasci di elettroni a onde corte sono utilizzati per tagliare i wafer di silicio che vengono utilizzati per produrre “circuiti” con strutture in scala nanometrica (meno di 50 nm). Questo approccio, tuttavia, tende ad essere molto dispendioso in termini di materiali costosi che vengono incisi durante il processo.
La costruzione di materiali atomo per atomo, o molecola per molecola, crea meno sprechi. Le nanostrutture si formano perché ogni atomo o molecola riconosce la sua posizione naturale, simile agli ioni che costruiscono strutture cristalline dalla soluzione. La produzione in continuo di nanomateriali in bulk è già stabilita fino a quantità di tonnellaggio. Tra i metodi utilizzati per produrli ci sono la deposizione fisica e chimica del vapore.
Nella deposizione fisica da vapore (PVD), il materiale viene vaporizzato dal calore in un forno o da laser ad impulsi, perché per evaporarlo da una fase condensata è necessario fornirgli del calore o energia sotto altra forma. Se la forma di energia è il calore, assume un’importanza notevole la pressione di vapore saturo che ha il materiale localmente, infatti la pressione di vapore saturo dipende dalla temperatura e aumenta fortemente all’aumentare di quest’ultima. Per ogni sostanza, a meno di reazioni chimiche, vi è una temperatura in cui la pressione di vapor saturo diventa abbastanza elevata (frazioni di Pascal) ed il materiale viene disperso nella camera da vuoto. Il vapore viene poi condensato su una superficie fredda. Per esempio, i nanotubi di carbonio a parete singola possono essere preparati vaporizzando un bersaglio di carbonio in una fornace a circa 1500 K con laser e permettendo al vapore di condensarsi su una superficie fredda. Un gas inerte viene distillato/spurgato nel reattore durante il processo, per evitare l’ossidazione del vapore di carbonio.
La deposizione chimica da vapore (CVD), è una tecnica di sintesi in cui si verifica una reazione nella fase di vapore tra due o più materiali e/o il vapore reagisce con il materiale bersaglio.Questa tecnologia di produzione di massa è stata utilizzata per produrre una vasta gamma di materiali in intervalli di dimensioni di particelle da 20-100 nm (nanopolveri). Ad esempio, i composti utilizzati nell’industria elettronica, come il biossido di silicio (da idruro di silicio e ossigeno) e il nitruro di silicio (da idruro di silicio e ammoniaca), sono realizzati in questo modo. Alcuni metalli (per esempio, nichel e tungsteno) di dimensioni nano sono anch’essi prodotti tramite CVD, riducendo i loro cloruri con l’idrogeno ad alta temperatura. Si ritiene che la CVD sia il metodo più promettente per la produzione di nanotubi di carbonio (Figura 7), e stessa cosa per produrre grafene, ma si stanno sviluppando anche altri metodi.
Impieghi dei nanomateriali
In questa sezione viene illustrata l’ampia gamma di usi dei nanomateriali, alcuni dei quali sono già in produzione, mentre altri sono in avanzato stato di sviluppo.
Sport e tempo libero
Il settore sport e tempo libero sembra sempre il primo ad accettare le nuove tecnologie, e la nanotecnologia non ha fatto eccezione. I nanotubi di carbonio producono composti con resine epossidiche che hanno una resistenza alla trazione 5 -10 volte superiore a quella dei materiali rinforzati con fibre di carbonio comparabili. Una loro applicazione ad esempio è stata negli alberi degli yacht, fino a 30 volte più rigidi, per lo stesso peso.
Per gentile concessione del dottor Alan Smith.
Altre applicazioni di compositi potenziati con nanotubi di carbonio includono racchette da tennis, canne da pesca e pannelli di carrozzeria utilizzati nelle auto da corsa per la migliore resistenza, leggerezza e prestazione. Le proprietà ammortizzanti delle suole delle scarpe da ginnastica sono state migliorate incorporandovi nanoparticelle che modificano la struttura delle suole polimeriche, e al tempo stesso, ne prolungano la durata grazie alla durezza, anch’essa aumentata dalla presenza delle nanoparticelle.
La società sportiva HEAD utilizza il grafene nelle loro nuove racchette da tennis, il che ne migliora del 30% la resistenza, e del 20% la leggerezza rispetto ad una racchetta tradizionale, per ugual peso. La stessa azienda ha incorporato il grafene negli snowboard, negli sci e nelle racchette da squash per sfruttare le proprietà migliorate.
Il grafene è stato anche incorporato nelle palline da golf, per migliorare le prestazioni di gioco del golfista, offrendo la velocità della palla, del lancio più veloce, miglior resa negli high launch e low spin, e percorrere anche maggiori distanze.
La gomma rinforzata con grafene è stata sviluppata per la suola delle scarpe da running, che nei test sono durate più di 1.000 miglia e sono scientificamente provate per il 50% più resistenti all’usura.
Trasporto
L’Airbus A380 utilizza circa il 20% di materiali compositi contenenti nanomateriali, risparmiando carburante grazie alla conseguente riduzione del peso totale. Aumentando il numero dei chilometri percorsi per litro di carburante per auto, aerei, navi e qualsiasi altra forma di trasporto non rappresenta solo un risparmio energetico, ma riduce anche drasticamente i costi. La nanotecnologia ha portato molti vantaggi nel migliorare l’impatto ambientale di molte forme di trasporto. Ad esempio, il costo del trasporto per chilo di peso può comportare un aumento di circa 300 dollari di carburante per oltre 5000 ore di volo. Questo è il motivo per cui alcune compagnie aeree arrivano ad usare accorgimenti particolari, come l’uso di carta leggera per la rivista di bordo, per ridurre il più possibile il peso. Utilizzando tablet al posto di pesanti computer di bordo, una compagnia aerea ha registrato un risparmio di oltre 300.000 dollari all’anno.
La capacità dei nanoparticolati di ridurre il peso e di aumentare la resistenza, sia utilizzando nano-fibre o più recentemente il grafene, sta dando un contributo significativo al risparmio energetico.
Utilità (utility)
Il ricorso alla nanotecnologia è in forte sviluppo anche in diverse applicazioni per la generazione di energia. I pannelli solari utilizzano nanoparticelle per contribuire a migliorarne l’efficienza. Per le turbine eoliche, più grande è la pala, più elettricità può essere generata, quindi i materiali nanocompositi, che sono più forti e pesano meno, sono sempre più utilizzati per evitare rotture delle pale. Nel settore idrico, una nuova ricerca dell’Università di Manchester ha dimostrato che il grafene può filtrare i sali comuni dall’acqua, per renderla più pura. Questi risultati potrebbero portare ad una dissalazione dell’acqua di mare a prezzi accessibili.
Salute e cura personale
La nanotecnologia sta avendo un impatto enorme nell’industria per l’igiene e la cura della persona, grazie alle dimensioni estremamente ridotte delle nanoparticelle e della loro mobilità. Il tasso di reattività chimica, la localizzazione dell’effetto e la tempistica di un trattamento sono tutti influenzati dalle dimensioni delle particelle. La somministrazione efficiente di farmaci è già in fase di test. I dispositivi microelettromeccanici biologici (bioMEMS) impiantati nel corpo per somministrare dosi di farmaci o portare nuove cellule ai tessuti danneggiati danno vita al concetto di nanochirurgia.
Anche nel campo dell’imaging biomedico si sta sviluppando l’uso di nanoparticelle come stimolatori di immagine, per migliorare la diagnosi e la terapia di alcune patologie. Le sonde di imaging e i rivestimenti degli impianti possono essere inseriti nel corpo umano con dimensioni delle particelle da 2-10 nm. Le proprietà magnetiche potenziate delle nanoparticelle di ossido di ferro (III) le rendono adatte per l’uso come agenti di contrasto nella risonanza magnetica (MRI).
Nello studio e nel trattamento medico dei tumori, i nanocarriers possono essere utilizzati per fornire agenti di imaging alle cellule tumorali, rendendo così più facile la localizzazione precisa delle cellule tumorali e rendendo il trattamento molto più efficace. Una tecnica che si sta tentando di sperimentare è quella di iniettare al paziente alcune nanoparticelle, spesso d’oro a causa della sua resistenza alla corrosione. Le nanoparticelle d’oro che si trovano in un sito di cellule tumorali possono essere irradiate con gli infrarossi per riscaldarle e distruggere le cellule tumorali vicine.Sono già disponibili cosmetici che contengono nanoparticelle, che sfruttano ancora una volta le proprietà derivanti dalle loro superfici incredibilmente alte. Queste includono lozioni solari e creme anti-invecchiamento.
Il biossido di titanio su scala nanometrica, contenente piccolissime quantità di ossido di manganese(II), viene utilizzato nelle lozioni solari, grazie alla sua capacità di assorbire le radiazioni UV nocive. Le nanoparticelle sono così piccole che sono invisibili ad occhio nudo e la lozione appare chiara. Le nanoparticelle sono stabili alla luce e funzionano riducendo i materiali nocivi (radicali liberi) che si formano nella pelle per l’esposizione al sole e causano l’invecchiamento precoce della pelle e tumori della pelle. Si attribuisce alle nanoparticelle l’efficacia delle creme anti-invecchiamento, per la protezione offerta contro le radiazioni UV nocive; inoltre possono essere utilizzate per fornire agenti vitaminici che rimpolpano e ammorbidiscono la pelle, riducendo così le rughe. L’ossido di zinco, lo zinco e le nanoparticelle di argento sono utilizzati per le loro proprietà antimicrobiche e antibatteriche in alcuni preparati per la pelle.
Nanoparticelle di ossido di rame (I), che mostrano proprietà antifungine, vengono incorporate in rivestimenti, fibre, polimeri, bendaggi, plastica e saponi.
La capacità di un geco di muoversi a testa in giù sui soffitti è dovuta anch’essa alla nanotecnologia. Scienziati e ricercatori di tutto il mondo hanno studiato la capacità davvero straordinaria del geco di aderire a qualsiasi superficie: il merito è delle speciali zampe di cui questo animaletto è munito, le cui dita hanno minuscoli cuscinetti ed una serie di lamelle longitudinali che consentono al rettile di non scivolare e arrampicarsi con estrema facilità;
in pratica è come se avesse centinaia di setole che aderiscono perfettamente anche sulle superfici più viscide che sono attratti in superficie dalle forze di van der Waals. Questa capacità adesiva viene utilizzata per i cerotti e le medicazioni delle ferite, dotati di una colla a base di nanotubi di carbonio, che li rende super-adesivi su qualunque superficie, senza lasciare segni appiccicosi quando vengono rimossi.
Una società chiamata nanoGriptech sta sfruttando questa tecnologia per un’ampia varietà di adesivi “dry”, compresi i guanti da portiere in modo che il portiere possa afferrare la palla più facilmente. Alcune delle applicazioni più entusiasmanti di nanotecnologia nel settore medico riguardano alcuni sensori con la capacità di rilevare le malattie prima che si impadroniscano del corpo. Tale rilevazione non è dissimile dall’olfatto di un cane antidroga. Molti nanosensori utilizzano piccoli rilevatori elettronici per identificare i cambiamenti, e alcune aziende sono riuscite a rilevare malattie specifiche dall’alito.
Salute, sicurezza e ambiente
Si è discusso molto sulla sicurezza e sull’impatto ambientale delle nanotecnologie. Sono state espresse preoccupazioni riguardo le nanoparticelle, per i rischi che le loro dimensioni e proprietà potrebbero comportare per la salute o l’ambiente.
Poiché molte delle applicazioni sopra descritte prevedono che le nanoparticelle siano bloccate in compositi polimerici, pellicole e fibre, non si prevede che tali nanomateriali rappresentino una minaccia per la salute e la sicurezza degli utenti. Come per la maggior parte dei composti chimici, si dovranno prendere le dovute precauzioni in merito all’esposizione degli operatori negli impianti che manipolano nanoparticelle “grezze”, per evitare il contatto con la pelle e l’inalazione.
D’altra parte, alcune questioni ambientali globali potrebbero essere risolte utilizzando i nanomateriali. Uno dei maggiori impatti potenziali della nanotecnologia sulla vita di milioni di persone potrebbe essere la desalinizzazione e la purificazione dell’acqua, fornendo acqua dolce dagli oceani e dai pozzi salmastri. La ricerca sta progredendo sulle membrane in cui è incorporato il grafene per aumentare la resistenza della membrana e renderla più efficiente. Anche in questo caso, a causa delle alte superfici, i nanomateriali, come alcuni silicati, sono ottimi filtri per intrappolare i metalli pesanti e altri inquinanti nelle acque reflue industriali. Come già descritto, il settore del risparmio energetico che utilizza applicazioni basate sulle nanotecnologie è attualmente in forte espansione.
Il futuro
È indiscutibilmente notevole l’impatto che la nanotecnologia sta registrando in molti settori della scienza chimica e dei materiali: sembra che solo la nostra immaginazione limiterà l’applicazione diffusa della nanotecnologia. Il mercato globale dei nanocompositi ha totalizzato 2,0 miliardi di dollari nel 2017 e si stima che raggiungerà i 7,3 miliardi di dollari entro il 2022.
Ultimo aggiornamento 14 marzo 2019
Edizione italiana a cura di Francesca Caprioli e Valter Ballantini 29 novembre 2020
Foto in alto da sito internet ECHA