vuoi
o PayPal
tutte le volte che vuoi
Tesina - Premio maturità 2009
Titolo: Le Nanotecnologie
Autore: Ottone Matteo
Descrizione: una breve descrizione dei caratteri principali delle nanotecnologie
Materie trattate: Fisica,chimica,sistemi,inglese,nano-etica
Area: tecnologica
Sommario: tutte le materie trattate,Dario Narducci,Cosa sono le nanotecnologie istruzioni per luso della prossima rivoluzione tecnologica,illustra il mondo delle nanotecnologie.
Le Nanotecnologie
Sommario
1.Cosa sono ................................................. 2
2.Materiali ed approcci ............................... 5
2.1.I fullereni ............................................. 6
3.Prodotti e situazione odierna ................... 8
3.1.Gli OLED ............................................... 9
4.Sviluppo responsabile ............................10
4.1.Nano fa paura? ..................................10
5.There’s plenty of room at the bottom ...14
Bibliografia e sitografia .............................15
Matteo Ottone 5^BT Pagina 1
Le Nanotecnologie
Cosa sono
•
Nonostante non esista tutt’ora una definizione assoluta per questo ramo delle scienze
applicate con nanotecnologie si intende la capacità di osservare, misurare e manipolare la
materia su scala atomica e molecolare, ovvero su dimensioni di 1-100 nanometri.
Il primo, nel 1959, ad ipotizzare una simile tecnologia fu Richard Feynman (premio nobel per
la fisica 1965). Analizzando la scala che rappresenta le dimensioni di vari oggetti possiamo
notare che il campo di studio delle nanotecnologie è perfettamente compreso tra i livelli
dimensionali utilizzati dalla biologia e appena sopra il campo di studio della chimica.
Piccola cronologia:
1959: there’s plenty of room at the bottom
1985: scoperta c60
1986: scanning tunnel microscope(STM)
1991: scritta IBM con atomi di Xe su un chip
1992: self assembled monolayers(SAM)
Sintesi controllata di nano particelle
1993: machine molecolari,tramite SAM
Matteo Ottone 5^BT Pagina 2
Le Nanotecnologie
Come ci aiuteranno: migliorando l’efficienza dei processi già utilizzati, diminuendo
l’impatto ambientale e il consumo di energia, aggiungendo funzionalità agli oggetti di uso
comune già esistenti, migliorando e rinnovando le tecniche di cura già utilizzate.
Come aiutano in medicina: offrendo gli strumenti per studiare i meccanismi delle malattie
struttura, dinamica e funzione delle singole molecole ), permettendo di dosare
simultaneamente e con grande sensibilità le macromolecole nei tessuti, cellule e fluidi
biologici, permettendo di definire i confini tessutali delle malattie e dando la possibilità di
creare nuovi farmaci o di reinventare altri già esistenti.
Matteo Ottone 5^BT Pagina 3
Le Nanotecnologie
Matteo Ottone 5^BT Pagina 4
Le Nanotecnologie
Materiali e approcci
•
Questa tecnologia opera in campo multidisciplinare in quanto coinvolge indirizzi quali chimica,
scienze dei materiali, fisica biologia molecolare,ingegneria meccanica, chimica ed elettronica.
Questa multidisciplinarietà comporta la necessità di avere approcci diversi per i diversi settori.
Vi sono 2 tipi di approcci :
Bottom-up: i materiali e i dispositivi sono realizzati da componenti molecolari di cui si
cerca di controllarne e indirizzarne l’assemblaggio per realizzare nano strutture sia di
tipo inorganico che di tipo organico/biologico.
Top-down: i dispositivi sono fabbricati partendo da strutture macroscopiche che
vengono ridotte tramite metodi fisici a livelli nanometrici.
In questa branca della scienza non sono tanto i materiali a contare ma le loro dimensioni.
Infatti passando da livelli macrometrici a livelli micrometrici le caratteristiche fisiche e
chimiche del materiale non cambiano(caratteristiche intensive), ma se invece si scende a
livello nano, le cose cambiano, infatti i rapporti tra le forze vengono a modificarsi in quanto
diminuisce drasticamente il numero di molecole ed atomi collegati tra loro, dando quindi una
diversa risposta in termini chimico fisici.
I primi a scoprire questa proprietà furono i vetrai
romani del IV secolo( vedi coppa di Licurgo ), infatti al
contrario dei loro colleghi non inserivano sali colorati,
che avrebbero tolto trasparenza al vetro, ma bensì
della polvere d’oro; recenti test di laboratorio hanno
infatti dimostrato che a livello nanometrico l’oro,
come tutte le altre sostanze,altera in modo evidente
le proprie caratteristiche, cambiando la dimensione
delle particelle cambia anche la lunghezza d’onda della
radiazione visibile che viene assorbita da esse.
Matteo Ottone 5^BT Pagina 5
Le Nanotecnologie
Proprietà utili dei materiali nano tecnologici:
Nano particelle: colore, magnetismo, fluorescenza, solubilità, mobilità nel sistema
vascolare
Nano tubi: resistenza meccanica, emissione di luce,
conducibilità
Liposomi: biocompatibilità, mobilità nel sistema vascolare,
capacità di contenere farmaci od altre sostanze e rilasciale
solo dove necessario.
I fullereni
o
Molecole principe di questa tecnologia sono i fullereni, terza forma allotropica del carbonio,
scoperti nel 1985.
Per avere un’idea della struttura dei fullereni si può pensare inizialmente ad uno strato di
grafite, un piano composto di anelli di carbonio esagonali e piani,quindi ogni atomo, ad
eccezione dei pochi situati ai bordi esterni, è legato ad altri tre atomi con legami la cui
lunghezza è prossima a quella carbonio-carbonio del benzene.
Tra gli atomi di strati diversi non si formano legami e i vari strati vengono tenuti assieme
soltanto da forze deboli.
Cosa succederebbe se un atomo di carbonio venisse espulso da un
anello,e se quindi quell’anello diventasse pentagonale ? La struttura da
piana diverrebbe curva: possiamo prendere come esempio l’idrocarburo
aromatico corannulene, nel quale cinque anelli benzenici contornano un
pentagono,questa molecola non è piana, ma presenta bensì una forma a
scodella. L’espulsione di ulteriori atomi di carbonio provoca un aumento
graduale della curvatura, fino ad arrivare una struttura chiusa simile ad
una sfera.
Matteo Ottone 5^BT Pagina 6
Le Nanotecnologie
Questa molecola sferica, ha 60
vertici e 32 facce,12 pentagoni (
12 pentagoni x 5 atomi
carbonio=60 carboni ) e 20
esagoni( 20 esagoni x 6 atomi di
carbonio=120/2=60 ogni atomo è
condiviso da 2 esagoni, quindi si
deve dividere per 2 ).
Al C , a causa della sua forma che
60
ricorda un pallone da calcio, è
stato dato il nome di
buckminsterfullerene, o più
comunemente buckyballs, in
onore dell’ingegnere architetto e
filosofo Richard Buckminster
Fuller, famoso per le sue cupole
geodetiche.
I derivati del C , aggregati
60
carboniosi che delimitano spazi chiusi, vengono chiamati fullereni.
Fullereni di recente scoperta sono i nano tubi(1990).
va cercata nel fatto che,come il benzene e la grafite, ogni
La ragione della stabilità del C
60
atomo di carbonio essendo legato ad altri 3 atomi è ibridato sp . Il quarto elettrone risiede in
2
un orbitale p,perpendicolare alle superficie della sfera.
Gli orbitali p si sovrappongono a formare una nuvola π fuori e dentro la sfera, come quella che
sta sopra e sotto il piano del benzene.
è l’addizione, non essendoci idrogeni da sostituire, che subentra
La reattività specifica del C
60
nei legami 6-6 ( condivisi tra 2 esagoni adiacenti) poiché sono più corti di quelli 5-6(condivisi
tra un esagono e un pentagono) e quindi più simili ad un doppio legame.
La scoperta dei fullereni e la loro manipolazione ha permesso di aprire migliaia di nuove
possibilità in tutti i campi della chimica, dalla farmaceutica all’industriale; si è arrivati alla
creazione di nuovi polimeri, materiali capaci di condurre l’elettricità e di immagazzinare
energia, strutture che racchiudono atomi di altri materiali o sostanze,che possono essere gas o
solidi, scoperta che potrebbe portare allo sviluppo di farmaci personalizzabili e indirizzabili nel
zona interessata.
Matteo Ottone 5^BT Pagina 7
Le Nanotecnologie
Prodotti e situazione odierna
•
Sono già molti i prodotti sul mercato che sono stati creati tramite l’utilizzo delle
nanotecnologie , e il loro numero è in costante crescita, per parlare in termini numerici si
possono già elencare più di 800 prodotti destinati al consumo personale.
Tra essi possiamo citare le nano particelle per cosmetici o per coatings e vernici, tessili
tecnici e abbigliamento, articoli sportivi, ma anche nano compositi, hard disks con superfici
nano strutturate per registrazione di dati ad alta densità e velocità, chips di memoria con
dimensioni inferiori ai 100 nm, dispositivi fotonici,superfici autopulenti, sistemi per
diagnostica medica basati sul principio “lab-on-chip” .
Per citare uno dei campi in cui le nanotecnologie sono già utilizzate
da qualche anno è la microelettronica dove vengono utilizzate
tecnologie planari, processi fotolitografici portati a livello di fascio
di elettroni o raggi x tramite la metodica del bottom-up, per creare
circuiti integrati per computer ed altri dispositivi elettronici.
Per i prossimi 5 anni, nonostante secondo la regola dei 20 anni
dovremo aspettare ancora prima
del vero boom nano tecnologico,
sono attesi anche sistemi
avanzati per la somministrazione
mirata di farmaci, protesi mediche più resistenti e con
migliorata biocompatibilità, materiali avanzati ed innovativi
per la produzione, il trasporto e lo stoccaggio di energia. I
principali campi in cui si prevede un forte incremento
dell’utilizzo delle nanotecnologie negli anni a venire sono :
materiali, elettronica, farmaceutica, processi chimici,
aerospazio, cura della salute, utensili, processi sostenibili.
Altrettanto importanti, infatti, sono le ricadute positive delle nanotecnologia sull’ambiente.
Il loro utilizzo infatti può essere determinante per lo sviluppo di nuovi processi
produttivi,più efficienti e meno inquinanti, con minor consumo di materie prime, per la
creazione di energia pulita e rinnovabile e di nuovi sistemi di disinquinamento.
Matteo Ottone 5^BT Pagina 8
Le Nanotecnologie
Gli OLED
o
OLED (Organic Light Emitting Diode) è un
modo nuovo di generare luce, utilizzando
materiali organici invece della complessa
struttura cristallina su cui si basano i
tradizionali LED (Light Emitting Diode).
La struttura convenzionale di una cella
OLED consiste di una pila di strati di
materiale organico compresi fra un anodo,
trasparente, e un catodo metallico (oppure
nella struttura con emissione superiore, da
un catodo semitrasparente e un anodo
metallico). Gli strati organici sono uno
strato per l’iniezione delle lacune, uno
strato per il trasporto delle lacune, uno strato emettitore e uno strato di trasporto degli
elettroni . Quando è applicata una tensione (alcuni
volt) alla cella, le cariche iniettate, positive e
negative, si ricombinano e si produce luce
(elettroluminescenza). La struttura degli strati
organici e di anodo e catodo è progettata al fine di
massimizzare il processo di ricombinazione nello
strato di emissione e, in definitiva, il flusso luminoso
in uscita. Con una opportuna scelta dei materiali
costituenti i vari strati, l’intera struttura può avere lo
spessore di un decimo di mm.
Possono essere utilizzati come schermi per
elaboratori, televisori e quindi riprodurre immagini,
ma un altro grande utilizzo è quello diretto all’illuminazione. Una grande
caratteristica degli OLED è la loro flessibilità.
Matteo Ottone 5^BT Pagina 9
Le Nanotecnologie
Sviluppo responsabile
• Si sta assistendo ad una sempre
crescente offerta al consumatore di
prodotti nano tecnologici non dichiarati
e non controllati incorrendo quindi in
una dispersione di nano particelle
nell’ambiente.
Una condizione essenziale perché le
aspettative positive riposte nelle
nanotecnologie si realizzino veramente,
è che gli eventuali rischi e le implicazioni
etico - socio-economiche associate ad
esse siano valutati tempestivamente e
ridotti al minimo.
Questo richiederebbe la definizione di
una nuova terminologia chiara e
condivisa, un approccio proattivo alla
gestione del rischio, un eventuale revisione delle legislazioni esistenti, la cooperazione e
il coordinamento tra i vari organismi pubblici, industria e ricerca a livello nazionale ed
internazionale.
Tutto ciò va completato con una informazione ed un dialogo con il pubblico corretti ed
affidabili, che rassicurino e prevengano l’insorgere di pregiudizi, quindi cercando di
evitare fenomeni di disinformazione dove vengano comunicati solamente gli errori o gli
incidenti, anche se si tratta solo di casi isolati.
Nano fa paura?
o