Nanotecnologie: cosa sono, quali sono i vantaggi e le applicazioni

È stato a partire dagli anni ’90 che le nanotecnologie sono diventate ricerca, fatto concreto, uscendo dal territorio della genialità di scienziati visionari. E oggi, dopo trent’anni, siamo in grado di manipolare ogni genere di materiale su scala dimensionale inferiore al micrometro, modificandone la composizione e la disposizione atomica o molecolare, con la possibilità di sviluppare prodotti e dispositivi nanotech negli ambiti più diversi, dall’elettronica alle costruzioni, dalla medicina alla farmaceutica, fino al risparmio energetico e ai beni di consumo.

Cosa sono le nanotecnologie

Le nanotecnologie – il cui prefisso deriva dal greco “nanos”, ossia “nano” – rimandano a quell’insieme di metodi e di tecniche per la manipolazione della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro, valore compreso fra 1 e 100 nanometri, dove un nanometro è pari a un milionesimo di millimetro e a un miliardesimo di metro.

L’obiettivo è realizzare prodotti e dispositivi radicalmente nuovi, grazie all’apporto di discipline diverse, tra cui la biologia molecolare, la chimica, la scienza dei materiali, la fisica, fino ad arrivare all’ingegneria meccanica ed elettronica.

È la scienza dell’infinitamente piccolo, in cui – per intenderci – il rapporto tra un nanometro e un metro corrisponde al rapporto di grandezza che esiste tra il diametro di una pallina da tennis e il diametro del pianeta Terra.

Ma non è solo un fatto di dimensioni, né di “riduzione” delle dimensioni. I vantaggi e i benefici del mondo nanotech sono correlati anche ai cambiamenti che le caratteristiche fisiche, chimiche e strutturali dei materiali subiscono nel momento stesso in cui passano dalle loro forme naturali a quelle nanometriche.

Cambiamento che investe anche i comportamenti dei materiali “nano”, al punto che possono essere differenti rispetto a quelli che questi possiedono nelle loro dimensioni naturali.

L’oro, ad esempio, nella sua forma originaria, presenta il classico colore giallo, mentre, quando viene sintetizzato sotto forma di nanoparticelle e viene immerso in soluzione, cambia colore a seconda delle loro dimensioni e forme.

In particolare, quando parliamo di nanoparticelle, è il rapporto che c’è tra l’area delle superfici e il loro volume a fare la differenza: se negli oggetti macroscopici – per i quali il rapporto area/volume è piccolo – le proprietà fisiche e chimiche sono date dalla struttura del solido, negli oggetti microscopici – per i quali il rapporto area/volume è elevato – sono le caratteristiche della superficie a influenzare le proprietà chimiche e fisiche degli oggetti stessi, fino a migliorarne le proprietà strutturali e funzionali.

Con l’avvento delle nanotecnologie, dunque, hanno fatto la loro comparsa materiali dalle proprietà inedite (non presenti nelle loro forme naturali), che hanno aperto nuovi scenari nei settori della chimica, della medicina, dell’edilizia e delle costruzioni, dell’elettronica e in altri ancora.

Struttura atomica su fondo bianco
Le nanotecnologie ci consentono di manipolare ogni genere di materiale, modificandone la composizione e la disposizione atomica o molecolare su scala dimensionale inferiore al micrometro.

Nanotecnologie: come nascono

Fu nel 1959 che venne portata, per la prima volta, l’attenzione sul fatto che: “le leggi della fisica non stabiliscono nessun limite inferiore per le dimensioni dei dispositivi che l’uomo può costruire“.

Sono le parole dello statunitense Richard Feynman, Premio Nobel per la fisica nel 1965, secondo il quale era possibile realizzare dispositivi composti da pochi atomi. Celebre la sua affermazione, in base alla quale:

… con gli strumenti adatti, sarebbe possibile trascrivere l’intera Enciclopedia Britannica su una capocchia di spillo.

L’idea di Feynman era, al medesimo tempo, semplice e geniale: costruire una macchina in grado di produrre una copia di se stessa, ma dieci volte più piccola. E la nuova macchina ne avrebbe prodotto un’altra, che sarebbe risultata cento volte più piccola della prima. E così via, fino ad arrivare a una macchina composta da pochi atomi.

L’idea di Feynman affascinò molti gruppi di ricerca USA dell’epoca, che iniziarono a lavorare alla miniaturizzazione sempre più spinta dei componenti informatici, rimanendo, però, ancora ben lontani dalle “nano-dimensioni”.

Il termine “nanotecnologia” venne pronunciato per la prima volta negli anni ‘80 per bocca dell’ingegnere statunitense Kim Eric Drexler, ricercatore presso l’Institute for Molecular Manufacturing (IMM) a Palo Alto, il quale, per la prima volta, spiegava che raggiungere la nano-dimensione avrebbe aperto le porte ad applicazioni rivoluzionarie in molti ambiti, dall’informatica alla medicina, fino alla scienza dei materiali.

Ma sarà solo a partire dagli anni ‘90 che le nanotecnologie avrebbero iniziato a diventare fatto concreto e non più solo idea e pura genialità. E un capitolo importante è stata la scoperta di una particolare molecola composta da atomi di carbonio, chiamata “fullerene”, per mano di due chimici statunitensi, Richard E. Smalley e Robert F. Curl Jr, i quali, per questa ricerca, avrebbero vinto il Nobel nel 1996 insieme al chimico inglese Harold W. Kroto.

Nel corso degli anni, i ricercatori hanno fabbricato fullereni sempre più grandi – arrivando anche a palloni composti da 960 atomi – e modelli dalla forma allungata (assai vicina a quella di un cilindro) detti “nanotubi”, a partire dai quali, da quel momento in poi, ha preso ufficialmente il via la ricerca sulle nanotecnologie.

Nanotecnologie: applicazioni

Universo dell’infinitamente piccolo, dove le dimensioni dei materiali lavorati sono comprese tra 1 e 100 nanometri (ricordiamo che un nanometro è pari a un milionesimo di millimetro e a un miliardesimo di metro), le nanotecnologie, fin dal loro esordio, negli anni ’90, hanno spalancato le porte a numerosi ambiti di applicazione, coprendo settori come l’elettronica, le costruzioni, la medicina, il risparmio energetico, così come i beni di consumo, dove i nanomateriali sono impiegati in centinaia di applicazioni, dai dentifrici ai cosmetici, dalle vernici all’abbigliamento. Di seguito, una sintesi dei settori più significativi.

  • Alimentare

In questo settore, particolari nanoparticelle – aggregati atomici o molecolari con un diametro compreso tra 1 e 100 nanometri – trovano applicazione, in particolare, nella conservazione dei cibi: se usate per ricoprirli, ne rallentano la maturazione; se inserite all’interno delle confezioni, sono in grado di rilasciare agenti antimicrobici e di aumentare, in questo modo, la durata di conservazione. Sempre nell’ambito del confezionamento, i nanosensori sono in grado di monitorare i parametri di conservazione durante il trasporto e lo stoccaggio, rilevando la presenza di eventuali batteri.

  • Agricoltura

È attraverso le nanotecnologie che l’agricoltura di precisione consente di monitorare tutti i parametri (da quelli climatici e fisiologici) delle coltivazioni, compresi i grossi latifondi – che implicano problemi legati alle dimensioni particolarmente estese – fino a quelle aree che presentano condizioni difficili per le colture, intervenendo tempestivamente solo quando e dove effettivamente serve. L’agricoltura di precisione utilizza erbicidi, pesticidi e nutrienti miniaturizzati e incapsulati, somministrati attraverso il rilascio lento. Inoltre, la precisione e la selettività proprie dei prodotti nanotech portano progressivamente all’abbandono dell’utilizzo massivo di sostanze chimiche.

  • Costruzioni

Quello delle costruzioni è il settore in cui, dagli anni ‘90 ad oggi, le nanotecnologie hanno espresso gran parte del proprio potenziale, a iniziare dallo sviluppo di materiali quali le strutture portanti con nanotubi, il calcestruzzo ad alta resistenza, i siliconi termicamente conduttivi, i materiali anticorrosione, autopulenti, idrorepellenti, isolanti e antiscivolo. Una lunga lista, insomma. Particolarmente interessante l’area dei materiali per rivestimenti costituiti da microscopiche sfere cave di ceramica immerse in supporto acrilico, con innovative caratteristiche fisiche quali alta impenetrabilità da parte di acqua, smog, batteri e muffe e resistenza all’invecchiamento.

esperto in nanotecnologia con in mano un microchip
Le nanotecnologie, fin dal loro esordio, negli anni ’90, hanno spalancato le porte a numerosi ambiti di applicazione, coprendo settori come l’elettronica, le costruzioni, la medicina, il risparmio energetico e molti altri.
  • Elettronica

Nel settore dell’elettronica, l’impiego delle nanotecnologie ha avuto ricadute importanti. Qui, in particolare, la ricerca è stata trainata dalla necessità di potenziare l’efficienza dei dispositivi e di andare verso una miniaturizzazione sempre più spinta dei componenti. Basti ricordare che proprio l’utilizzo delle nanotecnologie nei componenti elettronici ha permesso lo sviluppo di apparecchiature sempre più sofisticate, oggi alla base di videocamere, schermi, scanner biometrici, fari intelligenti delle autovetture, sensori anticollisione, fino ai proiettori integrati negli smartphone.

  • Medicina e farmaceutica

Il valore delle nanotecnologie in medicina risiede nella loro capacità di agire su una scala – quella “nano”, appunto – da 100 a 10.000 volte più piccola di quella della cellula umana, consentendo alle nanoparticelle di muoversi allo stesso livello dimensionale dei processi biologici, aprendo la strada alla medicina di precisione. Un’applicazione particolarmente rilevante è quella in ambito oncologico, dove sono stati sviluppati mezzi di contrasto costituiti da nanoparticelle che, grazie alle loro proprietà e a particolari tecnologie, individuano il tumore con una precisione elevatissima. In ambito farmaceutico, invece, si lavora allo sviluppo di nanoparticelle per il trasporto dei farmaci all’interno dell’organismo: l’idea è quella di strutturare il materiale in modo che, da una parte, agganci la molecola del farmaco, e dall’altra, dopo essere stato iniettato, si muova nel corpo e, arrivando nel punto esatto, si apra, si disaccoppi dal farmaco e lo rilasci solo dove serve.

  • Risparmio energetico

Nella produzione, gestione e risparmio energetico, le nanotecnologie svolgono un ruolo cardine, grazie ai continui progressi nella messa a punto di nanomateriali sempre più efficienti e performanti, tra cui i nanocatalizzatori, capaci di aumentare l’efficienza dei normali motori termici, i materiali nanoporosi di ultima generazione e, più in generale, tutti quei materiali resi più leggeri, più forti e più coibentati per mezzo delle nanostrutture.

  • Tessile

Sono numerose le applicazioni delle nanotecnologie in questo ambito, alcune disponibili già da diversi anni quali, ad esempio il tessuto Goretex, costituito da fori 20mila volte più piccoli delle particelle dell’acqua. Ricordiamo anche i tessuti, i film e tutte le fibre idrorepellenti, autopulenti, antibatterici, isolanti, antimacchia, antistatici, resistenti ai lavaggi, antifiamma e le loro applicazioni nei settori dello sport, degli abiti da lavoro e dell’antinfortunistica.

  • Le nanotecnologie nella vita di tutti i giorni

Nel quotidiano, la presenza di nanoparticelle è più diffusa di quanto immaginiamo. Alcuni dei tanti esempi sono le superfici antigraffio presenti sulle suppellettili di casa, sugli occhiali e sugli orologi; gli abiti dai tessuti antimacchia, antipiega e in grado di essere lavati a basse temperature; i dentifrici contenenti microsfere pulenti e sbiancanti, fino ai cosmetici e alle creme solari con nanoparticelle di diossido di titanio, in grado di proteggere dai raggi UV senza sbiancare la pelle.

Ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie

Lo sviluppo dei materiali è sempre stato scandito dall’evoluzione tecnologica che ha caratterizzato ogni epoca. Gli antichi egizi, ad esempio, aggiungevano paglia all’impasto di argilla per fabbricare mattoni da costruzione, dimostrandosi, in questo modo, abili nel sapere impiegare materiali diversi in sinergia tra loro, per realizzare quello che oggi si chiamerebbe “materiale composito”.

I materiali moderni sono caratterizzati dalla capacità di generare prodotti con strutture e proprietà su scala micrometrica e, in tempi più recenti, anche su scala nanometrica, utilizzando le nanotecnologie.

I criteri con cui vengono sviluppati materiali e processi produttivi nuovi dipendono dalla conoscenza che si ha dei materiali stessi e del loro comportamento. Conoscenza, questa, propria della disciplina dedita all’ingegneria dei materiali coniugata alle nanotecnologie, in cui i saperi relativi alla produzione, alla trasformazione e all’applicazione dei materiali si integrano.

Pile di barre di metallo in stabilimento metallurgico
Le opportunità professionali del laureato in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie provengono prevalentemente dalle industrie per la produzione dei materiali, la loro trasformazione e la progettazione.

Laurea in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie: gli sbocchi professionali

Se l’ingegnere dei materiali si occupa di Ricerca & Sviluppo, progettazione e collaudo nel campo dei materiali – studiando la struttura chimica, le proprietà, le caratteristiche e il comportamento delle sostanze, per mettere a punto materiali innovativi e performanti – il laureato in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie possiede, in più, un ampio ventaglio di conoscenze nei settori della produzione, trasformazione e applicazioni dei materiali, con particolare riguardo alle nanotecnologie.

È in grado di sviluppare il materiale e il relativo processo produttivo, tenendo conto dell’influenza che la trasformazione e le successive lavorazioni possono avere sulla struttura e sulle proprietà del materiale stesso.

Le opportunità professionali del laureato in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie provengono prevalentemente dalle industrie per la produzione dei materiali, la loro trasformazione e la progettazione.

Anche i settori del trattamento delle superfici, l’industria dei materiali polimerici e l’industria metallurgica offrono interessanti opportunità dopo la laurea in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie, insieme alle industrie che operano con i materiali nei settori della meccanica, dell’energia, dei trasporti, delle costruzioni e dell’elettronica.

Cos’è la nanomedicina

Con l’applicazione delle nanotecnologie in ambito medico e farmacologico, entriamo nel territorio della “nanomedicina”, in cui le conoscenze e le tecnologie hanno un utilizzo nell’ordine di grandezza dei nanometri, dove un nanometro – lo ricordiamo – è pari a un milionesimo di millimetro e a un miliardesimo di metro.

Sono due le macro-tendenze (tra loro correlate) che, fin dagli esordi, hanno segnato il campo di studi della nanomedicina:

Ma soffermiamoci sui biomarcatori, che abbiamo detto essere, in biologia, “molecole che identificano la presenza di un determinato tessuto”. Qual è la loro importanza nella nanomedicina? Il loro utilizzo risulta prezioso nell’inquadrare tutta quella serie di reazioni biochimiche all’interno di una data cellula, punto di partenza per la ricostruzione della catena di eventi che conduce, passo dopo passo, ai sintomi della malattia.

Andando più in profondità, la catena di reazioni biochimiche all’interno di una cellula si traduce in cambiamenti molecolari nella cellula stessa che, a loro volta, generano cambiamenti a livello di più cellule, investendo, in questo processo, il funzionamento dei tessuti e degli organi e, nel frattempo, portando alla comparsa di quei segni e di quegli eventi che connotano lo stato di “non-benessere”.

La nanomedicina, governata, a sua volta, dalle nanotecnologie, regno dell’infinitamente piccolo, guarda a ogni singolo minuscolo anello di questa catena, puntando a intervenire precocemente laddove i biomarcatori indicano la presenza di una dissonanza. I biomarcatori diventano, così, indizi, sentinelle, predittori dell’insorgere di una patologia o di un aumento del rischio di tale patologia.

Infine, un’altra interessante prospettiva aperta dalla nanomedicina è quella della nanotecnologia rigenerativa, ovvero della riparazione di tessuti e organi e del ripristino di determinate funzioni fisiologiche per mezzo di biomateriali intelligenti o di cellule staminali come agenti per terapie cellulari.

nanomedicina nanofarmaci
Una tendenza della nanomedicina vede le nanotecnologie operare verso la progressiva miniaturizzazione dei dispositivi, con il nano-incapsulamento per il rilascio di farmaci mirati (nanofarmaci) e l’uso di nanoparticelle per terapie meno invasive.

Nanotecnologie e diagnostica

Le nanotecnologie, per definizione, in quanto ambito scientifico dell’infinitamente piccolo, tendono alla miniaturizzazione di materiali e dispositivi. E questo, applicato alla diagnostica, si traduce nella possibilità di esami estremamente mirati, precisi e circoscritti.

Nell’ambito della diagnosi delle malattie, in particolare, vengono distinti due tipi di nanotecnologie:

  • il primo utilizza biosensori, ovvero dispositivi in cui l’elemento di riconoscimento biologico (ad esempio un enzima, un anticorpo) viene posto a contatto diretto con un trasduttore (un comune esempio di biosensore è quello usato per misurare la glicemia). Per mezzo dei biosensori, vengono identificate le molecole (biomarcatori) associate a una specifica patologia
  • il secondo tipo misura i biomarcatori utilizzando tecniche di imaging molecolare oppure nanosensori introdotti nel corpo del paziente

Uno dei risultati più significativi della ricerca nel campo delle nanotecnologie diagnostiche è il Lab-on-a-chip (LOC), letteralmente “laboratorio diagnostico in un chip”. Di che cosa si tratta? Di un laboratorio dalle dimensioni di un francobollo, rappresentato da un chip – che va da pochi millimetri a qualche centimetro quadrato di grandezza – capace di trattare volumi di fluidi estremamente piccoli come una goccia di sangue.

Il primo sistema di analisi su tecnologia Lab-on-a-chip venne sviluppato nel 1975 dalla Stanford University, ma fu solo alla fine degli anni ottanta e all’inizio degli anni novanta che la ricerca in questo specifico segmento iniziò a prendere il volo.

L’imaging molecolare, invece, è un esempio di misurazione in vivo basata sull’uso di nanoparticelle impiegate come mezzo di contrasto, che si legano a specifici biomarcatori rendendoli, in questo modo, visibili all’interno di un dato organo o tessuto.

Rispetto ai tradizionali metodi di imaging, l’imaging molecolare con Risonanza Magnetica, SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography (tomografia computerizzata a emissione di fotone singolo) o con PET – Positron Emission Tomography (tomografia a emissione di positroni) è in grado di garantire una risoluzione e una precisione più elevate.

Un altro esempio di diagnostica su test in vivo è dato dall’utilizzo di nanosensori da introdurre nell’organismo dei pazienti, pratica – questa – oggi in fase di studio e di test. Attualmente, attraverso un chip sottocutaneo che trasmette informazioni in modalità wireless a un’unità IT, è possibile misurare la temperatura corporea, profili glicemici e altri parametri fisiologici.

Infine, lo sviluppo di sensori su nanoscala – meccanici, elettrici oppure ottici – e la loro integrazione all’interno di dispositivi su microscala, offrono un potenziale importante per la messa a punto di dispositivi sanitari portatili, utilizzabili al di fuori del laboratorio o dell’ospedale, da personale medico o direttamente dai pazienti, nell’ambito della telemedicina.

nanotecnologie diagnostica
Nanotecnologie e diagnostica: l’imaging molecolare è un esempio di tecnica diagnostica basata sull’uso di nanoparticelle impiegate come mezzo di contrasto nell’ambito, ad esempio, della risonanza magnetica.

DOMANDE E RISPOSTE

Cosa sono le nanotecnologie?

Le nanotecnologie rappresentano un insieme di metodi e di tecniche per la manipolazione della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro, valore compreso fra 1 e 100 nanometri (dove un nanometro è pari a un milionesimo di millimetro e a un miliardesimo di metro), che servono a realizzare prodotti e dispositivi radicalmente nuovi attingendo anche a discipline come la biologia molecolare, la chimica, la scienza dei materiali, la fisica, fino ad arrivare all’ingegneria meccanica ed elettronica.

Quali sono le applicazioni delle nanotecnologie?

Le nanotecnologie, fin dal loro esordio, negli anni ’90, hanno spalancato le porte a numerosi ambiti di applicazione, coprendo settori come l’elettronica, le costruzioni, la medicina, il risparmio energetico. Le applicazioni principali delle nanotecnologie sono:

  • Alimentari
  • Agricoltura
  • Costruzioni
  • Elettronica
  • Medicina e Farmaceutica
  • Risparmio Energetico
  • Tessile

Quali sono le nanotecnologie applicate alla medicina?

Le nanotecnologie aprono la strada alla medicina di precisione. Un’applicazione particolarmente rilevante è quella in ambito oncologico, dove sono stati sviluppati mezzi di contrasto costituiti da nanoparticelle che, grazie alle loro proprietà e a particolari tecnologie, individuano il tumore con una precisione elevatissima. In ambito farmaceutico, invece, si lavora allo sviluppo di nanoparticelle per il trasporto dei farmaci all’interno dell’organismo.

Quale Università fare per lavorare nel campo delle nanotecnologie?

Per lavorare nel campo delle nanotecnologie è necessario conseguire una Laurea in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie. L’ingegnere dei materiali si occupa di Ricerca & Sviluppo, progettazione e collaudo nel campo dei materiali (studiando la struttura chimica, le proprietà, le caratteristiche e il comportamento delle sostanze, per mettere a punto materiali innovativi e performanti). Il laureato in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie ha un ventagli ventaglio di conoscenze anche nei settori della produzione, trasformazione e applicazioni dei materiali, con particolare riguardo alle nanotecnologie.

Nanotecnologie, quali sono gli sbocchi lavorativi?

Le opportunità professionali del laureato in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie provengono prevalentemente dalle industrie per la produzione dei materiali, la loro trasformazione e la progettazione. Anche i settori del trattamento delle superfici, l’industria dei materiali polimerici e l’industria metallurgica offrono interessanti opportunità dopo la laurea in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie, insieme alle industrie che operano con i materiali nei settori della meccanica, dell’energia, dei trasporti, delle costruzioni e dell’elettronica.

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Paola Cozzi
Giornalista dal solido background acquisito lavorando presso i più prestigiosi Editori italiani | Ventidue anni di esperienza nello sviluppo di prodotti editoriali b2b, cartacei e digitali | Vent'anni alla direzione di una testata b2b in tema di Sicurezza anticrimine di tipo fisico | Attualmente si dedica al Giornalismo Digitale ed esplora nuove tecniche e nuovi stili di comunicazione

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