Università Popolare Molfettese Anno accademico 2006-2007

1. Università Popolare Molfettese Anno accademico 2006-2007 N a n o t e c n o l o g i e Giuseppe Masciopinto

2. Uno sguardo al passato La comprensione ed il controllo delle proprietà dei materiali hanno condizionato la vita dell’uomo fin dall’apparire delle antiche civiltà.

3. La capacità dell’uomo di scoprire, inventare ed utilizzare nuovi materiali o di migliorare le proprietà dei materiali noti ha generato profondi cambiamenti in tutti i settori della vita civile. L’evoluzione tecnologica che ne è conseguita ha modificato, fra luci e ombre, i rapporti economici, sociali e politici, influenzando perfino i valori etici e morali.

4. La tecnologia 10.000 anni fa

5. La tecnologia IV secolo a.C.

6. La tecnologia il giorno prima dell’altro ieri Una macchina da stampa, ca. 1700

7. La tecnologia Un microscopio, 1776

8. La tecnologia l’altro ieri Locomotiva a vapore, 1881

9. La tecnologia Motore a scoppio, 1890

10. La tecnologia Lavatrice “manuale”, 1885

11. La tecnologia Macchina da proiezione Lumiere, 1898

12. La tecnologia Automobile Bugatti, 1910

13. La tecnologia Fonografo di Edison, 1901-1910

14. La tecnologia Aereo militare, 1917

15. La tecnologia Camera reflex, 1937

16. La tecnologia ..ieri 1946- ENIAC: il primo computer, 30 tonnellate, 17000 valvole

17. ...dagli anni ’50 in poi:la miniaturizzazione Si è andati sempre più di corsa: passando dal piccolo dell’elettrotecnica al sempre più piccolo dell’elettronica: gli anni settanta, gli anni del “piccolo è bello”, sono caratterizzati dal prefisso della nuova modernità: micro................... negli anni novanta si è passati dal “piccolo è bello al più piccolo è meglio”

18. Le microtecnologie • 1950 -2000 • L’era del Silicio: • DallaVALVOLA TERMOIONICA al TRANSISTORai CIRCUITI INTEGRATI • Nascono la MICROELETTRONICA e l’era del COMPUTER Il primo transistor ha visto la luce nel 1947

19. Piccolo è bello • 8 bit = 1 byte • 1024 byte =1 Kbyte • 1 Milione di byte= 1 Mbyte • 1Miliardo di byte=1 Gbyte Scheda perforata, 100 byte, 4 gr 1.44 Mbyte ? 650 Mbyte 10 Gbyte 20 TIR da 20 tonnellate!

20. ...più piccolo è meglio

21. Ci sono però dei limiti alla miniaturizzazione oltre i quali non conviene andare. L’eccessiva miniaturizzazione ha invertito l’andamento dei costi di produzione. La miniaturizzazione, spinta a livello molecolare, ha modificato le caratteristiche chimico-fisiche dei materiali che sono diventate quelle tipiche delle nanodimensioni.

22. Richard Feynman:il Padre delle Nanotecnologie (Premio Nobel per la Fisica nel 1965) ..il 29 dicembre 1959 tenne un famoso discorso "Ciò di cui voglio parlare è il problema di manipolare e controllare le cose su una piccola scala. Appena accenno a questo, la gente mi parla della miniaturizzazione e di quanti progressi si siano fatti fino a oggi. Mi parlano di motori elettrici grandi quanto l’unghia del vostro mignolo[..]. Ma questo è niente; è il passo più primitivo nella direzione che intendo discutere[..]. Quando nel 2000 la gente si guarderà indietro, si chiederà perché si sia arrivati al 1960 prima di muoversi seriamente in questa direzione.

23. Richard Feynman:il Padre delle Nanotecnologie (Premio Nobel per la Fisica nel 1965) ..il 29 dicembre 1959 tenne un famoso discorso “. . .Ma non mi spaventa affrontare anche la questione finale, cioè se - in un lontano futuro - potremo sistemare gli atomi nel modo in cui vogliamo; proprio i singoli atomi, al fondo della scala! […] Per quanto ne so, i principi della fisica non impediscono di manipolare le cose atomo per atomo. Non è un tentativo di violare alcuna legge; è qualcosa che in principio può essere fatto, ma in pratica non è successo perché siamo troppo grandi“.

24. ..sempre Feynman il giorno del Nobel • “Pensiamo alla punta di uno spillo, uno spazio abbastanza ristretto, eppure, entrando nel mondo delle nanotecnologie, scopriremo che anche in un luogo così esiguo, c’è abbastanza spazio per scrivere nientemeno che tutti i ventiquattro volumi dell’Enciclopedia Britannica”

25. Ma cos’è un nanometro??? Un nanometro è la miliardesima parte del metro!!! Per fare un esempio: è come confrontare un millimetro con la distanza tra Milano e Taranto!!!

26. Distanza Terra Luna 400.000.000 metri Raggio della Terra 6.350.000 metri 1:200 milioni 1:100 milioni Uomo: 2 metri Mela: 0,06 metri Virus Influenza 2 milionesimi metro 1:100 Milioni Elemento circuitale di un chip: 0.2 milionesimi metro Circuiti con DNA: 20 miliardesimi di metro Dimensioni di qualche sistema

27. Raggio=6.350.000 m Diametro=0.06 m Sezione di filamento di DNA=2.5 nm ‘There is plenty of room at the bottom’ Richard Feynman, 1959

28. La collana di Democrito • Abdera (460-360 a.C.)

29. Alcune dimensioni

30. Nanoscienze controllare la materia atomo per atomo Mettendoli uno alla volta al posto voluto Sfruttandone la tendenza ad ordinarsi spontaneamente

31. Oggi siamo in grado di vedere e manipolare i singoli atomi Barriera corallina quantica Il logo dell’IBM ottenuto con 35 atomi di Xenon Panorama di una Superficie di rame

32. La microscopia STM

33. Nanotecnologie naturali • Fine ultimo delle Nanotecnologie è quello di fare artificialmente ciò che la natura fa da sempre, e cioè combinare tra loro molecole o piccoli aggregati di molecole per costruire un dispositivo, un congegno in grado di eseguire azioni più o meno complesse.

34. Madre Natura: il primo nanotecnologo in assoluto Frammento di DNA La doppia elica della vita

35. La strategia del geco. • Curioso esempio di bionanotecnologia è il meccanismo delle zampette del geco: si attaccano dovunque in quanto presentano dei peli di dimensioni nanometriche.

36. La zampa del geco • E’ ricoperta di sottilissime setole (setae) grandi circa 100 milionesimi di metro, ognuna delle quali termina con una serie di 1000 cuscinetti (spatulae) il cui diametro è di qualche nanometro setae spatulae

37. Le ali della farfalla • Se tocchiamo le ali di una farfalla Morpho, sulle nostre dita rimane una polverina colorata; ingrandendo quest’ultima fino a livello nanometrico notiamo che è formata da una serie di strutture simili ad alberelli di Natale

38. Il fiore di loto • Le foglie e i petali hanno la proprietà di autopulirsi. Dotate di elevata idrorepellenza, esse riescono a mantenersi pulite e asciutte grazie alla microruvidità a livello nanometrico • della foglia che non consente alle particelle solide di depositarsi mentre consentono alla goccia di scivolar via velocemente portandole con sé.

39. Il primo esempio di nanotecnologie: La Coppa di Licurgo (IV sec. d.C.) • Fabbricata dai romani addizionando polvere d’oro al vetro. Fu ottenuto così il vetro dicroico, un materiale che cambia colore a seconda che la luce venga trasmessa attraverso la sua superficie o riflessa dalla stessa.

40. Altro esempio di nanotecnologie • Nel XIII secolo i maestri vetrai tedeschi che lavoravano alla realizzazione delle cattedrali gotiche ottenevano le splendide vetrate colorate disperdendo nel vetro piccole quantità di oro.

41. Bottom Up o Top Down??? Due sono le strade seguite per operare a livello nanometrici. “top down”: ridurre con metodi fisici le dimensioni delle strutture più piccole verso livelli nano. “bottom up”: partire da piccoli componenti, normalmente molecole, per realizzare nanostrutture sia di tipo inorganico che organico/biologico. È la strada che porterà a maggiori risultati.

42. 1985-La scoperta del Fullerene Fullerene Il C60 è costituito da 12 pentagoni e 20 esagoni, con ciascun pentagono circondato da cinque esagoni. E’ composto da 60 atomi di Carbonio ed ha la stessa geometria di un pallone da calcio. Il diametro è di circa 10 nanometri

43. 1991-I nanotubi di Carbonio I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni. Si ottengono unendo esagoni di carbonio arrotolati come una sorta di tappeto e chiuso alle due estremità da mezza molecola di fullerene. Dotati di caratteristiche eccezionali stanno trovando impiego come incapsulanti di principi chimici fortemente citotossici nella cura di tumori polmonari. Sono destinati a emulare, nella realtà, il sommergibile fantascientifico del “Viaggio allucinante”

44. A cosa servono i nanotubi? Nanocircuito (IBM) Proprietà Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli) Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaio Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del rame Stabilità: resistono fino a 2800°C Future applicazioni Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte più piccoli di quelli attuali Sonde chimiche: per scansionare le molecole Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani Nanopinze: per afferrare le molecole Nanobilance: per pesare gli atomi Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno

45. APPLICAZIONI delleNANOTECNOLOGIE

46. Settori di applicazione: • Tessile • Dei materiali • Sanitario e Chirurgico • Sicurezza • Cosmetico • Elettrico • Artistico • Informatico • Energetico

47. SETTORE TESSILETessuti senza pieghe, senza macchie, impermeabili, traspiranti Questi tessuti sfruttano l’effetto loto naturale delle piante che si basa sulle forze di coesione tra le particelle: su superfici liscie, le particelle contaminanti sono solo spostate dal movimento delle goccioline d’acqua. su superfici rugose, invece, esse aderiscono alle goccioline d’acqua e rotolano via, lasciando la foglia pulita

48. SETTORE DEI MATERIALI Solette per riscaldare i piedi costituite dal 90% di aria: Solette basate di aero gel, gel la cui massa è composta da 90% di aria ad altissimo potere isolante. Proteggono i piedi dal bagnato, dal sudore e dal freddo isolandoli dall’ambiente esterno.

49. SETTORE DEI MATERIALI Marmitte catalitiche nanostrutturate per convertire i prodotti di combustione delle benzine in sostanze atossiche. Nuove generazioni di pneumatici contenenti nanoparticelle in grado di fornire una maggiore resistenza all’usura insieme a migliori prestazioni, in termini di tenuta di strada, sia in condizioni normali che sul bagnato o sulla neve.

50. SETTORE SANITARIO Cerotti protettivi: Utilizzando le note proprietà antibatteriche dell’argento, sono in commercio garze contenenti nano-particelle di tale metallo per curare le ferite provocate da ustioni in modo migliore rispetto ai cerotti tradizionali.