Indice Introduzione Definizioni fondamentali Scienziati chiave Ambiti di utilizzo Le nanotecnologie per l’energia Sol Voltaics Microprocessori Critiche alle nanotecnologie Progetti futuri Sitografia Bibliografia

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Introduzione

Ho scelto questo argomento perché è inerente all’ informatica, scienza che vorrei approfondire negli anni di studio successivi. Essa è uno dei tanti strumenti per produrre nanotecnologie, ma che necessita delle stesse per l’hardware più complesso. Un altro motivo che mi ha spinto a scegliere questo argomento è l’utilizzo di esse nell’ambito delle energie rinnovabili, argomento che mi interessa perché permette di avere un mondo diverso, soprattutto in Svezia, dove la mia classe ha effettuato uno scambio culturale, tramite una società che si occupa di produrre pannelli fotovoltaici più efficienti. Inoltre le nanotecnologie mi affascinano perché lavorano in molti ambiti e perché possono cambiare radicalmente la nostra vita migliorandola e permettendo la cura di molte malattie ora incurabili. In questo approfondimento sono state prese in considerazione solo alcune applicazioni delle nanotecnologie che mi hanno particolarmente interessato, pur essendo consapevole che gli ambiti di utilizzo delle nanotecnologie sono vasti. In particolare sono stati presi in considerazione l’ambito energetico e dei microprocessori. 2

Definizioni fondamentali

Nanotecnologia

“Tecnologia dei materiali e delle strutture in cui l’ordine di grandezza delle misure è il nanometro”

Nanomacchina

“Dispositivo di dimensione nanometrica opportunamente assemblato al fine di eseguire movimenti meccanici in seguito all'azione di stimoli energetici esterni”

Nanoparticella

“Particella di materiale cristallino o amorfo avente almeno una dimensione lineare dell’ordine del nanometro o delle decine di nanometri”

Nanotubo

“Nanoparticella dalla caratteristica struttura allungata, cava all’interno, tale da ricordare quella di un piccolissimo tubo”

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Scienziati chiave

I seguenti scienziati sono coloro che hanno dato l’idea di nanotecnologia che si ha adesso e che hanno dato svolte importanti allo sviluppo della scienza stessa.

Kim Eric Drexler :

fu il fisico che coniò il termine nanotecnologia utilizzandolo nel libro “

Engines of creation

” (Le macchine della creazione),pubblicato nel 1986, dove spiegò che la possibilità di raggiungere queste dimensioni avrebbe permesso l’applicazione di nanotecnologie in molti ambiti diversi e una rivoluzione di questi ultimi. Fondò anche un istituto di ricerca, il Foresight Institute, che come scopo si pone di far aumentare la consapevolezza delle nanotecnologie nel mondo.

Richard Phillips Feynman :

fisico statunitense, premio Nobel nel 1965, nel 1959 tenne un discorso intitolato

“There’s plenty of room at the bottom”

(C’è un sacco di posto in fondo) in cui dimostrò che l’uomo può costruire oggetti di dimensioni microscopiche, dell’ordine di grandezza di un nanometro. Feynman sostenne che si possa scrivere l’intera Enciclopedia Britannica sulla punta di uno spillo, perché bastano anche solo pochi atomi per formare una lettera, ma non seppe dire con che tecnologia fosse possibile scrivere con gli atomi. Discusse anche di come queste macchine microscopiche potessero lavorare sull’infinitesimamente piccolo e lavorare con gli atomi, utilizzando come esempio un “piccolo chirurgo” che si potesse deglutire e che potesse creare da sé gli strumenti necessari per curare un determinato problema del corpo. Feynman sapeva benissimo quanto fosse difficile creare macchine simili, ma convinto che presto qualcuno sarebbe riuscito a crearle propose anche un premio per gli studenti liceali che riuscissero a costruire un motore elettrico di un 1/64 di pollice cubo e che riuscissero a scrivere una pagina di un libro sulla punta di uno spillo.

Richard Errett Smalley, Robert Floyd Curl Jr. e Harold Walter Kroto:

questo gruppo di chimici, nel 1985 riuscì a sintetizzare in laboratorio il primo fullerene (C 60 ), composto da 60 atomi di carbonio disposti in una struttura sferica. Esso deriva dall’evaporazione del carbonio che se poi viene mescolato con un gas inerte e successivamente lasciato condensare lentamente forma questa struttura. Il fullerene oltre ad essere un superconduttore è anche la base delle nanotecnologie, perché se durante la sua condensazione si utilizzano specifici tecniche di sintesi basate su un’intensa energia (scarica elettrica o raggio laser) si forma un nanotubo di carbonio, la base della nanotecnologia odierna.

Gerd Binnig e Heinrich Rohrer :

fisici inventori del microscopio a effetto tunnel, entrambi premio Nobel nel 1986.

Nel 1981 riuscirono per la prima volta e “vedere” gli atomi

, aprendo la strada alle nanotecnologie.

Don Eigler :

fisico statunitense, ricercatore all’IBM Almaden Research Center, riuscì per la prima volta nel 1989 a manipolare gli atomi. Utilizzando 35 atomi di xenon, Eigler, formo la scritta IBM tramite l’utilizzo di una variante di un microscopio ad effetto tunnel.

Finalmente si provarono le teorie di Feynman.

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Ambiti di utilizzo

Gli ambiti di utilizzo delle nanotecnologie sono molteplici, motivo per il quale è impossibile analizzarli tutti, ma nonostante questo è necessario accennare in che ambiti spaziano. Una lista delle possibili applicazioni delle nanotecnologie :      

Materiali :

le nanotecnologie permettono la sintesi di nuovi materiali, partendo dai nanotubi come materiale innovativo fino ad arrivare al kevlar prodotto tramite le nanotecnologie

Elettronica :

tramite le nanotecnologie è possibile costruire circuiti sempre più piccoli e più efficienti

Medicina :

data la dimensione delle nanomacchine è possibile lavorare a livello cellulare in modo da curare gravi patologie altrimenti incurabili (si stanno effettuando ricerche sull’utilizzo di nanotecnologie per la cura di alcune paralisi agendo sul midollo spinale)

Chimica :

si possono creare nanomacchine in grado di velocizzare le reazioni chimici e perciò sostituire i catalizzatori che in alcuni casi sono molto costosi

Energia :

si ha la possibilità di utilizzare nanotecnologie per rendere più efficienti le tecnologie odierne e per sviluppare nuove tecnologie ancora più efficienti

Ambiente :

le nanomacchine hanno la possibilità di agire a livello molecolare, perciò possono essere usate per filtrare l’aria rimuovendo le molecole di sostanze dannose

Nanotubi visti attraverso un microscopio STM

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Le nanotecnologie per l’energia

Sicuramente nel futuro le nanotecnologie avranno un ruolo importante nel settore energetico, ma già adesso cominciano ad aver successo principalmente per un motivo :

elevata efficienza

. Le nanotecnologie possono : sostituire il silicio (materiale molto costoso) nei pannelli fotovoltaici, sostituire i normali semiconduttori per avere un energia elettrica con minor dispersione di calore (in questo campo la ricerca è già molto avanti), essere utilizzate per sostituire costosi catalizzatori (come il platino nelle marmitte catalitiche) e altre molteplici applicazioni. Esse porteranno sia un vantaggio economico, sia un vantaggio in termini di efficienza, difatti una compagnia svedese produttrice di pannelli fotovoltaici è riuscita ad aumentare l’efficienza del 30%.

Nanobatterie

Le nanobatterie sono batterie capaci di immagazzinare una quantità di energia molto superiore ad una normale batteria. Sono presenti vari modelli nel mondo, progettati da vari ricercatori. In Israele è stata inventata una nanobatteria con la capacità di produrre 150-200 milliWatt al centimetro quadrato e utilizza un sistema per il quale anche se una parte della nanobatteria fosse malfunzionante, nel complesso non si noterebbero differenze perché essa è formata da tanti micro fori, collegati fra loro, che funzionano da batterie indipendenti. La nanobatteria più rivoluzionaria è quella di Yi Cui, perché è in grado di durare circa dieci volte di più rispetto a una normale batteria al litio. La batteria si basa su nanofili in silicio che funzionano come anodo. Solitamente durante la reazione di ossidoriduzione (quella che permette il rilascio di energia) il silicio si gonfia fino a quattro volte il suo volume, per poi tornare alle dimensioni normali durante la fase di carica della batteria. Questo processo, a lungo andare, tende a frantumare l’anodo di silicio, ma con queste nanobatterie non avviene, risolvendo così il problema della ricarica (i primi prototipi di nanobatterie potevano essere ricaricati solo poche volte). Inoltre le nanobatterie possono essere utilizzate nel settore dell’informatica, nel settore automobilistico e nel settore medico per i pacemaker. 6

Sol Voltaics

La Sol Voltaics è stata fondata da Lars Samuelson (fisico specializzato nelle nanotecnologie) nel 2008 a Lund, in Svezia ed è in collaborazione con l’università di Lund e un’altra azienda, la QuNano. L’azienda ha la prerogativa di aumentare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici, attraverso nanotecnologie messe a punto da un gruppo di ricercatori in cui ha preso parte Lars Samuelson stesso. La tecnologie su cui si basa la compagnia sono i

nanofili di arseniuro di gallio (GaAs)

. L’arseniuro di gallio è il composto in grado di assorbire la maggior quantità di energia dai fotoni permettendo al pannello fotovoltaico una maggiore efficienza, ben il 25% in più dei normali pannelli fotovoltaici (che hanno un’efficienza di circa il 17%). Nel 2013 la Sol Voltaics ha ricevuto un finanziamento di 9,4 milioni di dollari dall’Umoe (società privata che finanzia anche le ricerche in campo energetico) per migliorare ancora le sue tecnologie. Il prodotto principale della Sol Voltaics è Solink, un piccolo pannello solare aggiuntivo, costituito da nanofili di arseniuro di gallio della lunghezza di un micron e del diametro di 100 nanometri, da applicare ai pannelli fotovoltaici tradizionale. Così facendo si risparmia in termine di materiali e di soldi (l’arseniuro di gallio è molto costoso). La Sol Voltaics è stata più volte premiata per l’innovazione, anche a livello europea, così formando una fama internazionale. Dal 2015 dovrebbe immettere nel mercato i suoi prodotti.

Cella solare di arseniuro di gallio

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Microprocessori

Un microprocessore è un microcircuito che ha la funzione di unità centrale di elaborazione. Esso ha permesso la diffusione dei personal computer (PC) perché è riuscito a concentrare un sistema di circuiti in pochi millimetri quadrati, a differenza dei primi computer che spesso erano della dimensione di una stanza.

Un po’ di storia

Il primo microprocessore mai realizzato fu l’Intel 4004 (microprocessore a 4 bit), costruito nel 1971, era delle dimensioni di un mignolo ma aveva la potenza di calcolo simile a quella di un computer del secondo dopoguerra, che però era grande come una stanza. Successivamente nel 1972 fu introdotto il primo microprocessore a 8 bit sempre dalla Intel. Dal 1975 i microprocessori cominciarono ad essere utilizzati per i personal computer e nell’anno successivo anche nelle automobili. Nel 1973 nasce il primo processore a 16 bit. Nel 1980 nasce il primo processore a 32 bit Nel 1993 il numero di transistor nei microprocessori continua a crescere, vengono raggiunti circa 3 milioni. Nel 2003 nasce il primo processore a 64 bit prodotto dalla AMD, rivale storica della Intel. Nel 2010 le dimensioni dei microprocessori raggiungono i 32 nanometri.

Architettura

L’architettura di un microprocessore si suddivide in tre sezioni principali : unità logico-aritmetica (ALU), memoria dei registri (register array), unità di controllo (CU).

L’unità logico-aritmetica

gestisce le operazioni aritmetiche e le operazioni logiche effettuate sui bit. Inoltre permette l’esecuzione delle istruzioni (passando da una fase

decode

e poi per una fase

execute

).

La memoria dei registri

è una memoria temporanea in cui vengono memorizzate le istruzioni che sono in esecuzione.

L’unità di controllo

si occupa di caricare l’istruzione nei registri (fase di fetch). Il funzionamento del microprocessore è dettato da una sequenza di impulsi (clock), generati da un oscillatore al quarzo. Esso ha anche la possibilità effettuare calcoli in parallelo. Spesso si è solito dire “processore a 32 bit”, questo valore è la possibilità del processore di elaborare 32 bit parallelamente. Negli ultimi anni sono molto diffusi i microprocessori a 32 e a 64 bit, una volta utilizzati solamente nelle stazioni di lavoro. 8

Alla possibilità di calcolo parallelo è anche associata la grandezza dei registri, solitamente nei microprocessori a 32 bit si ha accesso ha 4 GB di memoria. Spesso per confrontare delle capacità di calcolo di un microprocessore rispetto che un altro si utilizza la parola

flops

(numero di operazioni in virgola mobile al secondo), oppure i

MIPS

(milione di istruzioni per secondo). Adesso si è raggiunta una potenza di calcolo dell’ordine di Gflops, ovvero di dieci alla nona flops. Questo valore indica la rapida evoluzione dei microprocessori, perché basta pensare che a metà degli anni novanta si raggiungevano solamente i 10 Mflops di media. Bisogna anche distinguere due tipi di architettura utilizzate in passato nei microprocessori, il RISC e il CISC, per poter comprendere meglio l’architettura usata tuttora. Il

RISC

(calcolatore con insieme di istruzioni ridotto) si basa sull’esecuzione di un piccolo numero di istruzioni base (le istruzioni complesse sono sostanzialmente una “somma” di istruzioni base), permettendo un’alta efficienza nell’esecuzione con una conseguente alta velocità. Invece il

CISC

(calcolatore con set di istruzioni complesse) elabora direttamente le istruzioni complesse permettendo una maggiore precisione a discapito della velocità. Nei giorni nostri si utilizzano delle architetture ibride.

Intel 4004

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Fabbricazione

La seguente metodologia di fabbricazione è quella in uso oggi, che differisce da quelle utilizzate in passato. Pe la costruzione di un microprocessore si parte dalla sabbia comune dalla quale viene estratto silicio puro (contiene solamente un atomo di impurità ogni milione) che formerà un lingotto cilindrico di circa 100 kg. Da questo lingotto verranno tagliate delle lamine, chiamate

wafer

, di 300 millimetri di diametro. Dopodiché avviene la litografia sul wafer, cioè un’esposizione a raggi ultravioletti filtrati attraverso una particolare maschera che serve da “stampo”, dopo l’applicazione di un film fotoresistivo (serve come protezione dalle onde elettromagnetiche utilizzate nella costruzione del microprocessore), per disegnare i circuiti sul microprocessore. Il film vien sostituito da uno nuovo che servirà a proteggere le parti del wafer che non dovranno essere drogate, perciò si prosegue con il drogaggio per poi rimuovere nuovamente il film. Per proteggere il wafer viene anche effettuato un processo di galvanostegia con del rame. Successivamente vengono connessi fra di loro i vari transistor precedentemente incisi sul wafer con l’esposizione ai raggi UV fino a formare 20 livelli che differiscono in base all’architettura del microprocessore. Il wafer, dopo opportuni test di funzionamento dei vari chip, può essere tagliato nei chip che lo compongono, chiamati anche

die

. Infine il chip viene inserito tra un sottostrato (parte che si collega alla scheda madre) e una lamina metallica che serve a dissipare il calore. Dopo essere testato il microprocessore è pronto per essere installato su un dispositivo.

Un wafer prima si essere tagliato in die

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Critiche alle nanotecnologie

Le nanotecnologie oltre a destare grande interesse da parte della scienza provocano anche timore per i loro effetti sconosciuti sull’ambiente e su noi stessi. Essendo di dimensioni microscopiche, le nanotecnologie, potrebbero entrare negli organismi facilmente e oltrepassare barriere a livello cellulare e danneggiare organi importanti (potrebbero superare le barriere poste al sistema nervoso e danneggiare i neuroni). Sino ad oggi sono stati condotti solo dei test sperimentali, perciò non si conoscono a fondo gli effetti negativi, ma comunque i risultati dei test non sono stati positivi. Sono state riscontrate ulcere e infiammazioni di vario tipo in seguito ad esperimenti su pesci e mammiferi. Sono anche state registrate alcune similarità con le particelle d’amianto, infatti anche esse presentano analoghi rischi polmonari. Una visione catastrofica fu ipotizzata da Drexler. Disse che quando si riuscirà a costruire nanotecnologie con la capacità di replicarsi, si correrà un grave pericolo per l’umanità perché se sfuggissero di mano potrebbero sostituire l’uomo stesso. Inoltre si solleva anche una questione etica, perché con l’utilizzo delle nanotecnologie sul corpo umano, come per la cura di patologie a livello del sistema nervoso, non c’è più il solo “comando” del corpo da parte del paziente ma anche da parte della macchina. Infine l’unico metodo per prevenire qualsiasi effetto negativo, su di noi o sull’ambiente delle nanotecnologie, è necessario investire sulla ricerca e sulla sperimentazione in laboratorio, in modo che qualsiasi pericolo causato da una nanotecnologia possa essere contenuto e risolto. Ma nonostante tutto solo il 10-20% degli investimenti sulle nanotecnologie negli Stati Uniti viene utilizzato per la ricerca sui possibili effetti ambientali e sull’uomo. 11

Progetti futuri

Essendo le nanotecnologie un campo in notevole crescita, i progetti che vengono presentati sono in grande quantità, ma solamente pochi giungono a termine, proprio perché si lavora in un ambito in cui c’è ancora molto da scoprire. Per questa motivazione verranno presi in considerazione solo alcuni progetti degni di nota.

Macchina recupera energia

Alla Lousiania Tech University è stata creata una macchina in grado di recuperare la sua stessa energia di scarto. Essa si basa su cristalli piezoelettrici, cristalli in grado di generare elettricità per ogni distorsione meccanica, ricoperti da nanotubi che si deformano al contatto di luce o calore che sono separati dai cristalli da uno strato di nichel che mantiene un differenza di potenziale fissa. Il risultato fa ben sperare perché permette una maggiore efficienza nella conversione di energia rispetto ai dispositivi finora creati.

Transistor atomico

Nel 2012 un gruppo di ricercatori australiani coordinati da Michelle Simmons ha creato un transistor di un solo atomo. A un gruppo di 6 atomi di silicio è stato sostituito uno di questi da uno di fosforo, tramite l’utilizzo del microscopio ad effetto tunnel. Questo transistor apre la strada ai cosiddetti qubits, bits quantistici, che a differenza da quelli normali possono assumere più di due valori.

Stampante per le nanotecnologie

Un gruppo di ricercatori statunitensi diretti da Chad A. Mirkin sono riusciti a realizzare un dispositivo in grado di stampare nanomacchine, tramite dei raggi di luce. Attraverso delle piramidi costituite da polimeri, con rivestimento opaco e un’apertura sulla cima di 100 nanometri di diametro e un fascio di luce che viene diviso e indirizzato alle piramidi, il gruppo di ricerca è riuscito a scrivere su un materiale fotosensibile. La tecnologia che utilizza la luce e queste strutture è stata chiamata BPL (bean-pen litography). La novità consiste nell’utilizzo di materiali di uso industriale e nei tempi ridotti, si parla di poche ore, il tutto tramite un dispositivo paragonabile ad una stampante da tavolo.

Sunny, il nanomotore solare

E’ un motore che funziona ad energia solare, come suggerisce il nome, a quattro tempi, ma composto solamente da due molecole. Una molecola è di forma allungata e funziona da asse, mentre l’altra è a forma di anello e scorre intorno all’asse. Se combinato con altri nanomotori, orientati in un determinato punto per poter lavorare all’unisono, può creare un energia notevole in grado di essere paragonata con un motore macroscopico. 12

Sitografia

Treccani, L’Enciclopedia Italiana ( http://www.treccani.it/enciclopedia )

Storia delle nanotecnologie, Microprocessori, Critiche

AIRI / NANOTEC IT - Centro Italiano per le Nanotecnologie ( www.nanotec.it

)

Definizioni fondamentali, Ambiti di utilizzo

Università di Parma - Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra “Macedonio Melloni” ( http://www.difest.unipr.it

)

Storia delle nanotecnologie

IBM News room ( http://www-03.ibm.com

)

Storia delle nanotecnologie

Intel ( http://www.intel.com

)

Storia dei microprocessori, Come costruire un microprocessore

AntiqueTech ( www.antiquetech.com

)

Storia dei microprocessori

Punto Informatico ( http://punto-informatico.it

)

Critiche, Nanobatterie

Assemblea Parlamentare della NATO ( http://www.nato-pa.int

)

Critiche

Enel – EnergyViews ( http://energyviews.enel.it

)

Nanotecnologie nelle energie

Sol Voltaics ( www.solvoltaics.com

)

Informazioni generali Sol Voltaics

GreenTech Solar ( http://www.greentechmedia.com

)

Informazioni generali Sol Voltaics

Tekneco ( http://www.tekneco.it

)

Informazioni progetto Lousiana Tech University

SafeNanotech ( http://www.safenanotech.com

)

Progetto di Michelle Simmons

Le Scienze ( http://www.lescienze.it

)

Stampante per le nanotecnologie, Ambiti di utilizzo

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La Repubblica ( http://www.repubblica.it

)

Sunny, il nanomotore solare

BioEcoGeo ( http://www.bioecogeo.com

)

Dettagli su Sol Voltaics

VentureBeat ( www.venturebeat.com

)

Dettagli sui nanofili

Times of Israel ( www.timesofisrael.com

)

Nanobatterie

Stranford News (news.stanford.edu)

Nanobatterie

Bibliografia

Dizionario Zanichelli “lo Zingarelli 2010”

Definizione di nanotecnologia

Enciclopedia Armando Curcio Editore “Programma Multimediale Europeo”

Architettura dei microprocessori e il loro funzionamento

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