Nanotecnologia: ingegneria su scala atomica

La sera del 29 dicembre 1959, durante la cena annuale dell'American Physical Society al Caltech di Pasadena, Richard Feynman salì sul podio e disse a una sala piena di fisici che in fondo c'era moltissimo spazio. Intendeva il fondo della scala delle dimensioni, il regno degli atomi e delle molecole, e dedicò il suo discorso dopo cena a sostenere che nulla nelle leggi della fisica ci impedisce di costruire macchine, strumenti e scritture così piccoli da far stare l'intera Encyclopaedia Britannica sulla capocchia di uno spillo. Per dare più forza all'idea, offrì due premi di mille dollari ciascuno, uno per il primo motore elettrico funzionante più piccolo di un sessantaquattresimo di pollice e uno per chiunque riuscisse a scrivere una pagina di testo ridotta di un fattore venticinquemila. Il premio per il motore fu reclamato entro un anno da un ingegnere che lo costruì con strumenti comuni e pazienza. La pagina rimpicciolita richiese più tempo.

Il discorso, intitolato There's Plenty of Room at the Bottom, non avrebbe avuto nemmeno un campo a cui appartenere per un altro decennio, perché la parola "nanotecnologia" non era ancora stata coniata. Eppure è giustamente ricordato come il testo fondativo della disciplina, il momento in cui qualcuno dalle credenziali impeccabili disse ad alta voce che l'infinitamente piccolo non era solo più piccolo, era diverso, e che valeva la pena inseguire quella differenza. Questo articolo parla di ciò che accade quando si prende sul serio Feynman e si costruiscono davvero le cose a quella scala, e del perché la materia, quando la si riduce abbastanza, smette di comportarsi come una versione in miniatura di se stessa e inizia a comportarsi come qualcosa di genuinamente nuovo.

La finestra tra uno e cento nanometri

Un nanometro è un miliardesimo di metro, all'incirca la larghezza di tre o quattro atomi allineati. Un nanomateriale è definito come qualsiasi struttura con almeno una dimensione compresa all'incirca tra 1 e 100 nanometri. Quel "almeno una dimensione" è importante, perché significa che un foglio può essere un nanomateriale pur estendendosi per tutto un vetrino da microscopio nelle altre due direzioni, purché sia spesso solo uno o due atomi.

Ciò che rende speciale questa finestra è che due effetti fisici, entrambi trascurabili nella materia di tutti i giorni, diventano qui decisivi. Il primo è geometrico. Man mano che si rimpicciolisce un oggetto, la frazione dei suoi atomi che si trova in superficie anziché sepolta all'interno cresce ripidamente, quindi il rapporto superficie-volume aumenta drasticamente. Un ciottolo ha quasi tutti i suoi atomi rinchiusi al sicuro all'interno; una nanoparticella della stessa sostanza può avere una grande frazione dei suoi atomi esposti in superficie, dove sono molto più reattivi dal punto di vista chimico. Il secondo effetto è di natura quantistica. Gli elettroni all'interno di un solido non sono particelle puntiformi che rimbalzano qua e là come biglie, si comportano come onde con una lunghezza d'onda caratteristica. Quando la struttura che confina un elettrone diventa più piccola di quella lunghezza d'onda naturale, l'elettrone non può più essere trattato come un cittadino libero del materiale massivo; le sue energie permesse vengono compresse e quantizzate, un fenomeno chiamato confinamento quantistico. La finestra tra 1 e 100 nanometri è precisamente l'intervallo in cui questi due effetti, il dominio della superficie e il confinamento quantistico, iniziano a riscrivere la personalità ottica, elettrica e chimica di un materiale.

Quattro forme scolpite dal carbonio e dal cristallo

Il campo moderno è organizzato, comodamente, intorno a quattro strutture canoniche, e un modo ordinato per tenerle distinte è contare quante delle loro dimensioni sono confinate alla nanoscala. Un fullerene è una piccola gabbia confinata in tutte e tre le direzioni, quindi ha zero dimensioni "libere". Un nanotubo di carbonio è confinato in due direzioni ma libero di estendersi per grandi lunghezze lungo il suo asse, quindi è di fatto monodimensionale. Il grafene è un singolo foglio piatto, confinato solo nel suo spessore, lasciando due dimensioni libere. Un punto quantico, come il fullerene, è un punto confinato in tutte e tre le direzioni ed è quindi a dimensione zero. Tre di queste quattro strutture sono fatte interamente di carbonio, e non è un caso: la disponibilità del carbonio a legarsi con se stesso in disposizioni esagonali piatte gli conferisce una versatilità che nessun altro elemento eguaglia. La quarta, il punto quantico, proviene dal mondo dei cristalli semiconduttori. Insieme formano il vocabolario di lavoro della nanoscienza, e ciascuna è arrivata con la propria storia di scoperta.

Il pallone da calcio e il foglio arrotolato

Nel settembre del 1985, alla Rice University di Houston, Harold Kroto, Richard Smalley e Robert Curl stavano vaporizzando della grafite con un laser e studiavano gli ammassi di carbonio che condensavano dal pennacchio. Un ammasso, fatto esattamente di sessanta atomi di carbonio, continuava a comparire con una stabilità sospetta. La struttura che proposero per spiegarlo era una gabbia chiusa di dodici pentagoni e venti esagoni, la forma di un pallone da calcio, geometricamente un icosaedro troncato. La chiamarono buckminsterfullerene in onore di Buckminster Fuller, l'architetto della cupola geodetica, i cui edifici la molecola ricordava. La scoperta di questa terza forma stabile di carbonio puro, accanto al diamante e alla grafite, valse ai tre il premio Nobel per la chimica nel 1996.

Sei anni dopo il fullerene, nel 1991, Sumio Iijima, presso il laboratorio di ricerca fondamentale della NEC a Tsukuba, in Giappone, stava esaminando la fuliggine lasciata da una scarica ad arco elettrico usando un microscopio elettronico a trasmissione. Infilati nella fuliggine trovò degli aghi, cilindri cavi che sembravano esattamente fogli di carbonio arrotolati in tubi, annidati l'uno dentro l'altro come gli anelli di un albero. Pubblicò questi nanotubi di carbonio a parete multipla su Nature il 7 novembre 1991, e le versioni a parete singola seguirono nel 1993. Un nanotubo di carbonio è, in sostanza, un foglio di grafene avvolto in un cilindro senza giunzioni, e il risultato è uno dei materiali più resistenti conosciuti, con resistenze a trazione misurate superiori a 60 gigapascal, ben oltre i migliori acciai. Lo stesso legame carbonio-carbonio che rende duro il diamante rende il nanotubo, quando lo si tira lungo la sua lunghezza, quasi infrangibile.

Spesso un solo atomo, staccato con il nastro adesivo

Il foglio da cui si arrotola il nanotubo ha una sua storia celebre, ed è una storia meravigliosamente a bassa tecnologia. Per decenni i fisici ritennero che un vero cristallo bidimensionale, spesso un solo atomo, sarebbe stato termodinamicamente instabile e semplicemente non sarebbe potuto esistere come oggetto indipendente. Nel 2004, Andre Geim e Konstantin Novoselov, all'Università di Manchester, dimostrarono il contrario usando un metodo così semplice da sembrare uno scherzo. Premettero del comune nastro adesivo su un blocco di grafite, lo staccarono portando via una sottile scaglia, ripiegarono il nastro su se stesso e lo separarono di nuovo, e ripeterono questa scissione finché il residuo rimasto sul nastro non fu, in alcuni punti, un singolo strato di atomi di carbonio. Trasferire le scaglie più sottili su un wafer di silicio ossidato permise loro di trovare e studiare i monostrati. Questo è il grafene, un favo piatto di carbonio spesso un solo atomo, e si rivela straordinario: eccezionalmente resistente, un eccellente conduttore di calore ed elettricità e quasi trasparente. Il loro articolo, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, comparve su Science il 22 ottobre 2004, e i due condivisero il premio Nobel per la fisica nel 2010. La lezione fu insieme umiliante ed esaltante: un materiale degno di un Nobel si nascondeva dentro ogni segno di matita mai tracciato, in attesa che qualcuno lo sfogliasse abbastanza sottile.

Un colore che puoi regolare solo con le dimensioni

Il punto quantico è il punto in cui il confinamento quantistico si mostra nel modo più vivido, perché lo si può vedere con i propri occhi. Un punto quantico è un nanocristallo semiconduttore abbastanza piccolo da far sì che il confinamento sposti il suo band gap, lo scalino di energia che un elettrone deve superare per assorbire o emettere luce. Rendi il cristallo un po' più piccolo e comprimi quel gap rendendolo più ampio, il che spinge la luce emessa verso l'estremità blu dello spettro; lascialo crescere un po' di più e il gap si restringe, facendo scivolare il colore verso il rosso. La conseguenza sorprendente è che due punti di composizione chimica identica possono brillare di colori diversi puramente a causa delle loro dimensioni, una proprietà che nessun materiale massivo possiede. Un barattolo di seleniuro di cadmio massivo è solo una polvere scura, ma come nanocristalli lo stesso composto può fluorescere attraverso tutti i colori dell'arcobaleno.

La scoperta avvenne per tappe. Alexei Ekimov osservò l'effetto dipendente dalle dimensioni in cristalli di cloruro di rame inglobati nel vetro nel 1981, lavorando nell'Unione Sovietica. Louis Brus, ai Bell Labs, dimostrò la stessa fisica per particelle di solfuro di cadmio sospese in un liquido nel 1983, provando che non si trattava di una stranezza del vetro. E Moungi Bawendi, nel 1993, mise a punto la sintesi che finalmente produsse lotti di punti abbastanza uniformi da essere utili, cristalli monodispersi tutti quasi della stessa dimensione. I tre condivisero il premio Nobel per la chimica nel 2023, un promemoria del fatto che alcune di queste storie impiegano quarant'anni a maturare. I punti quantici ora illuminano i display televisivi più vividi e marcano singole molecole nell'imaging biologico.

Perché essere quasi tutto superficie cambia tutto

Sarebbe un errore pensare ai nanomateriali come semplici piccoli grumi di materia ordinaria. L'alto rapporto superficie-volume fa sì che una grande frazione dei loro atomi viva in superficie, e gli atomi di superficie sono irrequieti: hanno legami insoddisfatti, sono cataliticamente attivi, chimicamente reattivi e spesso otticamente distintivi in modi che l'interno non è. Questo bonus geometrico è silenziosamente all'opera in decine di prodotti. Le nanoparticelle di biossido di titanio nelle creme solari diffondono e assorbono la luce ultravioletta pur restando trasparenti invece di lasciare una sbavatura bianca. Le nanoparticelle d'argento, con così tanta superficie reattiva, rilasciano ioni che ne fanno potenti rivestimenti antimicrobici. Le nanoparticelle di platino distribuite sul favo di un convertitore catalitico automobilistico espongono un'enorme area catalitica da una massa minuscola e costosa di metallo, convertendo i gas di scarico in modo molto più efficiente di quanto potrebbe mai fare un blocco solido di platino.

La stessa logica alimenta una delle applicazioni più importanti, la nanomedicina, che usa vettori su nanoscala come le nanoparticelle lipidiche, le micelle polimeriche e i gusci d'oro per somministrare i farmaci in modo più selettivo di una pillola intera ingoiata così com'è. Un farmaco disciolto nel flusso sanguigno va ovunque; un farmaco confezionato dentro una nanoparticella può essere guidato, protetto e rilasciato dove serve. La più ampia distribuzione clinica di questa idea fino a oggi sono i vaccini a mRNA contro il COVID-19 di Pfizer-BioNTech e Moderna, entrambi autorizzati nel dicembre 2020, in cui fragili filamenti di RNA messaggero sono avvolti in nanoparticelle lipidiche che li proteggono e li trasportano dentro le cellule. Miliardi di dosi più tardi, la nanomedicina è stata testata su una scala che Feynman poteva a malapena immaginare.

I rischi che stiamo ancora imparando a misurare

C'è un lato serio in tutto questo. I nanomateriali sono ormai prodotti industrialmente a migliaia di tonnellate all'anno, e i quadri tossicologici e normativi sono rimasti indietro rispetto alla chimica. La stessa reattività che rende utile una nanoparticella può anche renderla biologicamente aggressiva, e una particella abbastanza piccola da insinuarsi nelle cellule e attraversare membrane che fermerebbero un granello più grande richiede uno studio attento. La preoccupazione cautelativa di fondo è l'analogia con l'amianto: fibre lunghe, sottili e durevoli, che siano di amianto o di certi nanotubi ad alto rapporto d'aspetto, possono insediarsi nel tessuto polmonare e resistere all'eliminazione, e il parallelo è preso abbastanza sul serio da far sì che i ricercatori lo verifichino deliberatamente. I regolatori si stanno mettendo al passo. L'Unione europea ha emesso una Raccomandazione della Commissione nel 2011 che definisce un nanomateriale ai fini normativi, e la Food and Drug Administration statunitense pubblica linee guida sulla nanotecnologia dal 2014. La posizione onesta è che stiamo conducendo un vasto esperimento in parallelo alla scrittura delle regole per esso, e una certa umiltà intellettuale riguardo agli effetti a lungo termine è giustificata.

Punti chiave

Un nanomateriale è qualsiasi struttura che misura tra circa 1 e 100 nanometri in almeno una dimensione, una finestra in cui prendono il sopravvento due effetti che svaniscono nella materia massiva: un ripido aumento del rapporto superficie-volume, che porta una grande frazione degli atomi sulla superficie reattiva, e il confinamento quantistico, che quantizza le energie degli elettroni una volta che la struttura diventa più piccola della lunghezza d'onda naturale dell'elettrone. La conferenza di Richard Feynman del dicembre 1959, There's Plenty of Room at the Bottom, aprì il campo, e quattro strutture canoniche lo ancorano, corrispondenti rispettivamente a zero, una, due e zero dimensioni confinate: il fullerene C60 (Kroto, Smalley e Curl, 1985, Nobel 1996), il nanotubo di carbonio (Iijima, 1991, con resistenze a trazione superiori a 60 gigapascal), il grafene (Geim e Novoselov, 2004, isolato con il nastro adesivo, Nobel 2010) e il punto quantico (Ekimov, Brus e Bawendi, lavoro dal 1981 al 1993, Nobel 2023), il cui colore dipende solo dalle dimensioni. Questi principi sostengono tecnologie reali, dalle creme solari al biossido di titanio e dai convertitori catalitici al platino fino ai vaccini a mRNA con nanoparticelle lipidiche del 2020, mentre la tossicologia e la regolamentazione, con l'analogia dell'amianto come preoccupazione guida, corrono per recuperare il ritardo su una chimica già prodotta a migliaia di tonnellate.