• n° 1 - 2014
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Nanotecnologie: nano-dimensioni per giga-business

Una breve introduzione sul mondo delle nanotecnologie, in forte sviluppo, che trovano già oggi impiego in molti settori industriali (dall'edilizia alla meccanica, dalla robotica alla farmaceutica …). Senza volersi addentrare negli aspetti fisico-chimici, in questo articolo si offre una panoramica generale sulle nanotecnologie, portando anche alcuni significativi esempi di applicazione più vicini al settore delle telecomunicazioni.

 

1 – Introduzione

Le Nanotecnologie (dal greco nanos, nano) sono quel ramo della scienza applicata e della tecnologia che si occupa del controllo, della progettazione e della realizzazione di dispositivi e materiali su scala dimensionale inferiore al micrometro, compreso normalmente fra 1 e 100 nanometri (si ricorda che 1 nanometro è pari ad un milionesimo di millimetro o a un miliardesimo di metro).
Per meglio comprendere le dimensioni di cui stiamo parlando possiamo fare riferimento ad alcuni esempi. In pratica il rapporto fra 1 nanometro ed 1 metro corrisponde circa al rapporto di grandezza che esiste tra il diametro di una pallina da tennis ed il diametro del pianeta terra. Tuttavia il mondo delle nanotecnologie non offre solo i vantaggi legati alla riduzione delle dimensioni ma, aspetto questo fondamentale del mondo nanotech, consente di ottenere veri e propri cambiamenti delle proprietà fisiche, chimiche strutturali e cosi via che risultano intrinsechi nel passare da materiali nella loro forma naturale e quella nanometrica.
Di conseguenza il comportamento dei diversi tipi di materia a livello nanometrico può risultare estremamente differente, e non sempre prevedibile, da quello che il materiale possiede nelle sue dimensioni originali.
Ad esempio l’oro ha nella sua forma massiva il classico colore giallo che lo contraddistingue mentre quando è sintetizzato in forma di aggregati di nanoparticelle posto in soluzione cambia colore a seconda della loro dimensione e forma. Proseguendo con gli esempi con dimensioni macroscopiche la temperatura di fusione del ghiaccio non cambia: un iceberg ed un cubetto di ghiaccio fondono alla stessa temperatura. La situazione è ben diversa in condizioni nanoscopiche: i nanocristalli di CdSe (Seleniuzo di Cadmio) fondono a 700 gradi Kelvin mentre i cristalli macroscopici a 1678 gradi Kelvin.
Per comprendere tali fenomeni può essere di aiuto ad esempio la teoria legata alle nanoparticelle dove un parametro fondamentale è il rapporto esistente tra l’area delle superfici ed il loro volume. Negli oggetti macroscopici (con un piccolo rapporto area/volume) le proprietà fisiche e chimiche sono essenzialmente determinate dalla struttura del solido, mentre negli oggetti più piccoli (con un elevato rapporto area/volume) le caratteristiche della superficie diventano determinanti e vanno ad influenzare le proprietà chimiche e fisiche. Con le Nanotecnologie cambia quindi il rapporto tra particelle interne e di superficie e si vengono a modificare di conseguenza le proprietà e le caratteristiche fondamentali del materiale.
A parità di composizione chimica il solido nanostrutturato possiede migliori proprietà rispetto al solido con una normale struttura: i metalli migliorano le loro proprietà meccaniche, i materiali ceramici la loro tenacità, i polimeri le proprietà elettriche e cosi via.
La sintesi ed il controllo dei materiali effettuata su scala nanometrica consente di migliorare le proprietà strutturali e funzionali. Con le Nanotecnologie nascono quindi una nuova serie di materiali e di dispositivi con proprietà insospettate a livello massivo che aprono nuovi interessanti e dirompenti scenari sostanzialmente in tutti i settori applicativi della chimica, dell’edilizia e delle costruzioni, della medicina, della elettronica e cosi via.
Anche se molti dispositivi nanotech sono già oggi disponibili e trovano ampia applicazione siamo sicuramente in una prima fase della ricerca nel settore: le potenzialità offerte da questa scienza sono enormi e ancora in buona parte da investigare. Secondo alcuni studiosi il mondo delle nanotecnologie ha espresso sino ad oggi solo il 10% delle sue potenzialità.
Appare interessante riportare alcune citazioni che arrivano dal mondo scientifico ed accademico secondo le quali “… la nanotecnologia sarà il motore della terza rivoluzione industriale” o “… una tecnologia con prospettive gigantesche, in grado di cambiare sostanzialmente il modo di vita degli individui” ed ancora più semplicemente “la tecnologia del futuro”.
La nanotecnologia costituisce un ambito d'investigazione altamente multidisciplinare che coinvolge molteplici indirizzi di ricerca che vanno dalla biologia molecolare alla chimica, dalla scienza dei materiali alla fisica fino all'ingegneria meccanica ed elettronica.

 

2 - Un po’ di storia

L’idea di ridurre le dimensioni degli apparati e di aumentarne le prestazioni non è certo una idea dei giorni nostri.
Prendiamo ad esempio il mondo dei calcolatori. Nella Figura 1 è riportato ENIAC il primo computer elettronico, sviluppato negli Stati Uniti intorno al 1945. Possiamo dargli molte definizioni ma non certo quella di un computer portatile.
Realizzato nel 1945 ENIAC aveva un peso complessivo di circa 30 tonnellate, il consumo energetico era elevatissimo visto che era costituito da circa 20mila valvole con un consumo stimato di 200 KW. ENIAC richiedeva uno spazio di 180 m2 e ben 30 persone per turno di lavoro erano necessarie per un suo corretto funzionamento. Pochi anni dopo ecco arrivare il suo successore EDVAC che rappresenta un timidissimo tentativo di, se possiamo chiamarla cosi, “miniaturizzazione”: operativo dal 1949 EDVAC era costituito da 6mila valvole con un consumo “ridotto” a 56 KW, un peso pari a 7,8 tonnellate e “solo” 45 m2 di spazio occupato. 

 

Figura 1 - Il calcolatore ENIAC

 

Al di là di questi esempi storici i progressi conseguiti nel tempo verso le soluzioni tecnologiche del mondo estremamente piccolo e ad elevata efficacia ed efficienza sono stati, come tutti ben sappiamo, enormi.
Da allora abbiamo visto costantemente ridursi le dimensioni degli elaboratori elettronici ed aumentare in modo significativo le loro prestazioni.
Questa tendenza può essere sintetizzata con la ben nota legge di Moore, famoso tecnologo e co-fondatore di Intel. La legge di Moore, presentata per la prima volta nel 1965, sostanzialmente prevede che ogni 18 mesi le dimensioni dei dispositivi elettronici elementari tendono a dimezzarsi e, conseguentemente, la densità dei dispositivi presenti per unità di superficie quadruplicano. Allo stesso tempo la legge prevede anche un analogo incremento nella velocità di elaborazione. Nel corso del tempo abbiamo quindi avuto dispositivi sempre più piccoli ma sempre più efficaci e potenti.
Questo trend è stato sostanzialmente rispettato sino ad oggi conducendo ad un’evoluzione dei dispositivi microelettronici che tutti ben conosciamo. I costi di ricerca e di innovazione sostenuti nel mondo per arrivare a questi risultati sono stati elevatissimi (e lo saranno ancor di più in futuro) e solo poche aziende sono riuscite a reggere il ritmo di questa impressionante evoluzione tecnologica.
Più recentemente si è affacciata nel settore una nuova straordinaria soluzione, quella delle Nanotecnolgie. La nascita di questa disciplina può essere fatta risalire al 29 dicembre del 1959 nel corso di una riunione dell’ American Physical Society. In quella occasione il fisico americano Richard Feynman (1918–1988) (uno degli scienziati più straordinari dello scorso secolo) descrisse i suoi studi e le sue intuizioni nel settore del mondo infinitamente piccolo.
Nel suo intervento e nel suo testo “Ther’s Plenty of Room at the Bottom” e cioè “Esiste un sacco di posto libero là sotto”, Feynman (considerato il padre delle nanotecnologie ed ispiratore del computer quantistico) propose le sue intuizioni ed i suoi studi volti a introdurre metodologie e tecniche di manipolazione diretta di atomi e molecole. In quella occasione Feynman (Figura 2) lanciò quella che apparve una provocazione: quella di scrivere sulla punta di uno spillo tutta la Enciclopedia Britannica. Per questi studi Feynman ricevette nel 1965 il Premio Nobel per la fisica.
L’enorme interesse destato dall’intervento di Feynman ebbe come conseguenza un forte impegno negli studi e nella ricerca di settore condotti nei principali centri di ricerca e laboratori del mondo. Il termine Nanotecnologia venne coniato nel 1974 dal fisico giapponese Taniguchi e ripreso in seguito da Eric Drexel che, due anni dopo, definì le nanotecnologie come “...una tecnologia a livello molecolare che ci potrà permettere di porre ogni atomo dove vogliamo. Chiamiamo questa capacità Nanotecnologia perché funziona su scala del nanometro, cioè un milionesimo di metro”. 

 

Figura 2 - Richard Feynman, l’inventore delle Nanotecnologie

 

Un’altra tappa significativa nel mondo delle Nanotecnologie è quella della ideazione e costruzione, da parte dei ricercatori IBM di Zurigo, del primo microscopio (strumento questo indispensabile della ricerca nell’ambito delle nanotecnologie) a scansione che costituì il primo vero strumento della scienza e della ricerca nel settore. Successivamente Eigler (IBM) scrisse il nome della propria azienda con 35 atomi di Xenon. In tempi più recenti è da ricordare la scoperta e la realizzazione dei primi nanotubi di carbonio nel 1991 (che apriranno la strada ad una vastissima area di applicazioni) mentre nel 2001 venne realizzato il primo circuito logico a base di nanotubi ed un anno dopo venne messo a punto il primo nanomotore.
Potremmo considerare questa data come quella di svolta delle nanotecnologie: dalla fase di studio e ricerca sperimentale, alla disponibilità dei primi dispositivi commerciali in un tempo di sviluppo sorprendentemente rapido per una tecnologia cosi complessa.

 

3 - Nanotecnologie: gli esempi in natura

Se le Nanotecnologie rappresentano una tecnologia relativamente recente, in natura esempi di soluzioni nanotech sono ben presenti da tempo. Prendiamo l’esempio del geco. Il geco si arrampica su qualsiasi superficie (anche vetro) senza cadere mai anche se nelle sue zampe non ci sono ventose, aculei, sostanze oleose…. Questo animale ha un peso di circa 50 grammi, ma resiste a trazioni di 20 Newton.
Le regole che guidano l’adesione del geco alle superfici sono una scoperta recente (2003 Università di Berkeley), e sono legate alle caratteristiche delle sue zampe che risultano essere “nanostrutturate”: hanno infatti una dimensione pari a una moneta di 1 cent formate da fitta peluria: 15mila setole per cm². Ogni setola (Figura 3) si suddivide in centinaia di filamenti con diametri dell’ordine del nanometro e superficie troncata.
Date le dimensioni ogni setola si avvicina alla parete stabilendo una particolare debole reazione che moltiplicata per i miliardi di setole costituisce una forza significativa, che consente all’animale di aderire a qualsiasi superfice senza fatica. Per staccare la zampa il geco non fa fatica: basta cambiare l'inclinazione delle setole e la forza di adesione viene a mancare. L’esempio del geco è stato in qualche modo recepito dai nanotecnologi che hanno realizzato, ad esempio, diverse soluzioni adesive con ottime proprietà. 

 

Figura 3 - Il sistema adesivo del geco

 

Un altro esempio ci arriva dal fiore di loto. Le foglie del loto hanno una struttura delle foglie a livello nanometrico che le rende idrorepellenti e le mantiene costantemente pulite ed asciutte nonostante il loro habitat sia particolarmente umido.
Il meccanismo naturale di pulizia è legato alla alta tensione superficiale della struttura ruvida a livello nanotecnolgico, maggiormente idrorepellente rispetto alle superfici piatte e in grado di consentire alle gocce di umidità e di pioggia di rotolare sulle superfici per rimanere costantemente asciutte. Anche in questo caso la natura ha fornito lo spunto per applicazioni pratiche: attualmente sono disponibili materiali idrorepellenti realizzati anche con grado idrofobico controllabile (es: mediante controllo elettrico o termico dell’angolo di contatto) che trovano applicazioni nel settore delle costruzioni, tessile e aereo-spaziale.
Come ultimo esempio in natura, parliamo dei mitili. I mitili sono maestri nell’arte di aderire a superfici bagnate e soggette a forze continue, mutevoli (intensità, direzione) e di notevoli intensità quali ad esempio le onde del mare quando si infrangono sugli scogli.
L’adesione alle superfici viene effettuata mediante l’unione di filamenti (il bisso) di dimensioni nanometriche (elemento ad alta resistenza alla tensione ed alla trazione) e potenti sostanze adesive ed impermeabili ricoperte da materiali idrorepellenti e resistenti. Sono infatti elementi allo stesso tempo duri, elastici e resistenti alla tensione. Le proprietà del bisso sono note da tempo e con esso sono stati realizzati in passato numerosi manufatti quali corde per la navigazione e reti per la pesca o tessuti di pregio.

 

4 - Fotografie dal mondo delle Nanotecnologie

La disponibilità di microscopi ad elevatissime prestazioni (ingrandimenti, qualità delle immagini,…) offrono l’opportunità di investigare con accuratezza il mondo delle nanotecnologie offrendo anche delle immagini curiose ed affascinanti.
Potremmo definire queste due fotografie (Figura 4 e Figura 5) storiche del mondo nanotech: sono state infatti realizzate negli anni novanta. Entrambe riportano il confronto tra i primi dispositivi nanotecnologici e rispettivamente una formica ed un acaro.

 

Figura 4 - Una formica trasporta un microchip

 

Figura 5 - Un acaro osserva un motore nanotech

 

Il mondo delle nanotecnologie fornisce immagini suggestive come nei due casi seguenti. La prima immagine riguarda un esempio di applicazione delle nanotecnologie alla farmaceutica: si mostra un piccolo complesso di molecole che sono state essiccate a spruzzo – una tecnica comunemente usata nell’industria farmaceutica – per migliorare la loro solubilità. Si notano gusci (Figura 6) secchi attorno a una sfera di materiale umido. Come si diffonde l’umidità residua ed evapora la sfera si sgretola e libera il proprio contenuto.
La seconda immagine, Figura 7, riporta alcune sfere di nichel in una struttura di diamante per multi-connessioni in strutture nanotecnologiche.  
Secondo alcuni ricercatori "le Nanotecnologie rivendicano anche la loro valenza creativa ed ispirano la fantasia di nanoscultori ed artisti nanotech (Figura 8).
Quale migliore avanguardia artistica se non la Nanotecnologia per rinnovare ed innovare lo stupore?!".

 

Figura 6 - Complesso di molecole essiccate

 

Figura 7 - Sfere di nichel in struttura di diamante

 

Figura 8 - Il “NanoEden” (Fonte: Università del Michigan)

 

5 - Le principali aree applicative delle Nanotecnologie

Come ricordato in precedenza i dispositivi nanotecnologici hanno già trovato oggi un’ampia applicazione in molti settori. Vediamone alcune.

5.1 - Elettronica e Tecnologia della Informazione

E questo sicuramente uno dei settori che maggiormente ha beneficiato delle nanotecnologie e che ha consentito di ottenere una classe di dispositivi , che ha modificato positivamente la vita quotidiana di ognuno di noi. A grandi linee il livello di integrazione ha seguito recentemente le seguenti tappa (Source: Intel): 32 nm nel 2009, 22 nm nel 2011, 14 nm come previsione a fine nel 2014.
Quali le dimensioni raggiungibili con i prossimi passi? Il dibattito internazionale è aperto.

5.2 - Reti di Telecomunicazioni

Possiamo segmentare il concetto di rete di telecomunicazioni in tre parti:

  • generazione dei segnali;
  • trasmissione;
  • rilevazione/elaborazione dei segnali.

In questa catena, la fotonica è quella dove maggiormente si sta investendo a livello mondiale, anche se per il rilegamento di utente residenziale si sta “spremendo” sempre più il doppino rame che originariamente forniva solo il servizio voce.
Le elevate prestazioni non si ottengono solo con un mezzo trasmissivo ideale quale può essere la fibra ottica, ma servono sempre più componenti efficienti di generazione, rilevazione ed elaborazione dei segnali: i cosiddetti circuiti fotonici.
È ampiamente riconosciuto, che solo i circuiti fotonici possono assolvere al ruolo di elevate prestazioni. Uno dei limiti maggiori per conseguire questo obiettivo è il livello di integrazione attualmente raggiungibile con i circuiti fotonici che possono svolgere solo poche funzioni sullo stesso chip. La ragione principale è la dimensione dei componenti fotonici, che si estende tipicamente in alcuni mm.
Le nanotecnologie possono superare gli attuali limiti dimensionali dei circuiti di elaborazione.
Ricordiamo brevemente che in un sistema ottico i segnali vengono trasmessi sotto forma di fotoni (luce) che non hanno carica elettrica e quindi non possono essere influenzati da campi elettrici e magnetici. Inoltre attraverso i fotoni si esclude qualsiasi forma di cross talk (diafonia): i segnali ottici non interferiscano con altri provenienti da fibre poste in prossimità. Il confinamento del segnale all’interno della fibra garantisce inoltre l’impossibilità di intercettazione dall’esterno per tutta la lunghezza del collegamento, e quindi la sicurezza della comunicazione. L’uso delle fibre ottiche per le reti di comunicazione elimina i problemi legati all’esigenza di contatti di terra (tipici di una rete metallica) e i rischi di scariche (scintille) ed inoltre offre un ottimo rapporto resistenza-peso dei cavi. Il completo isolamento elettrico, la struttura e i metodi di accoppiamento delle fibre ottiche consentono l’inserimento in molti fluidi e un’ottima resistenza in molteplici condizioni metereologiche. Una proprietà fondamentale è l’incremento della banda passante e la diminuzione delle perdite di trasmissione in alta frequenza rispetto ai cavi coassiali.
Negli anni ‘90, l’esplosione di Internet aveva portato ad una domanda di banda che andava ad impegnare principalmente i livelli della rete ottica relativi ai collegamenti a lunga distanza, tale domanda di banda era supportata dal concomitante sviluppo di una nuova tecnologia denominata fotonica. La fotonica di prima generazione era basata sulla tecnologia del WDM (Wavelenght Division Multiplexing), ossia sull’utilizzo della fibra ottica, la quale mediante il transito di molte lunghezze d’onda concomitanti, rendeva possibile la moltiplicazione delle capacità di trasporto della rete contenendo nel contempo la sua espansione fisica. Ad inizio degli anni ‘90 fu commercializzato da parte di Pirelli, un dispositivo fondamentale per la fotonica: il primo amplificatore ottico terrestre.
Attualmente i nuovi servizi basati su DSL richiedono da un lato l’aumento di banda e dall’altro un sostanziale adeguamento della rete ottica, anche in considerazione che quest’ultima è rimasta praticamente immutata rispetto agli anni ’90. L’adeguamento della rete, diversamente da quanto accadde nella scorsa decade, riguarderà soprattutto i livelli metropolitani e quelli di accesso e sarà pertanto percepito in modo molto evidente dal cliente finale.
L’ottenimento di componenti ottici a basso costo può essere realizzato sia utilizzando materiali a basso costo, sia diminuendo le dimensioni critiche dei percorsi circuitali essenzialmente costituiti da guide d’onda planari. Per quanto riguarda i materiali a basso costo la scelta cade sull’uso del silicio e dei suoi composti, mentre mediante l’ausilio di tecniche di progettazione, che utilizzino l’elevato salto d’indice di rifrazione, per le guide d’onda possiamo diminuire le dimensioni critiche dei percorsi circuitali.
Alla fine del 2012, IBM ha annunciato un progresso nelle comunicazioni ottiche, verificando in ambiente di produzione la possibilità di utilizzare la luce, anziché i segnali elettrici, per trasmettere le informazioni nei computer del futuro.
La tecnologia rivoluzionaria, chiamata “nanofotonica in silicio” (Figura 9) consente l’integrazione su di un unico chip di silicio di diversi componenti ottici fianco a fianco con circuiti elettrici, utilizzando per la fabbricazione, per la prima volta, una tecnologia inferiore a 100 nm.
La nanofotonica in silicio sfrutta gli impulsi luminosi per la comunicazione e fornisce una super-autostrada, su cui grandi volumi di dati possono spostarsi, a velocità elevate, tra i chip dei computer, nei server, nei grandi data center e nei supercomputer, attenuando così le limitazioni poste dalla congestione del traffico di dati e dai costi elevati delle interconnessioni tradizionali.
“Questa rivoluzione tecnologica è il risultato di più di dieci anni di ricerca pionieristica - spiega il Dr. John E. Kelly, Senior Vice President e Director di IBM Research – e ci consente di trasferire la tecnologia della nanofotonica in silicio nell’ambiente di produzione reale, con un impatto su una vasta gamma di applicazioni”.
La quantità di dati creati e trasmessi attraverso le reti aziendali continua a crescere e la nanofotonica in silicio, ormai pronta per lo sviluppo commerciale, può consentire al settore di tenere il passo con la sempre più impegnativa domanda di prestazioni dei chip e di potenza di calcolo.

 

Figura 9 - Esempio di chip nanofotonico

 

Le imprese stanno entrando in una nuova era dell’informatica, che richiede ai sistemi la capacità di elaborare e analizzare in tempo reale enormi volumi di informazioni. La tecnologia della nanofotonica in silicio fornisce una risposta alle sfide poste dai Big Data, collegando senza soluzione di continuità varie parti dei grandi sistemi, sia che si trovino a pochi centimetri o a chilometri di distanza, e spostando terabyte di dati mediante impulsi luminosi attraverso le fibre ottiche.
Su sito de “Le scienze” del 14 Gennaio 2014, intitolato “Verso un calcolatore fotonico basato su metamateriali”, viene spiegato in modo sintetico ed esauriente come questo dispositivo, che nel suo funzionamento è concettualmente più simile ai primi calcolatori meccanici che a quelli digitali, potrebbe essere miniaturizzato e integrato in dispositivi di calcolo automatico più ampi e complessi basati sulla trasmissione fotonica dei segnali.
Difatti il calcolo fotonico rappresenta una sorta di ritorno al passato analogico del calcolo automatico perché non ha bisogno che il problema da risolvere venga tradotto in un apposito linguaggio.
Nella Figura 10 (Fonte: Alexandre Silva dell'Università della Pennsylvania) si mostra lo schema di funzionamento del calcolatore fotonico: attraversando il metamateriale a multistrato, il profilo dell'onda viene trasformato nella sua derivata prima o seconda.
In Italia, al Laboratorio Nanoscienze del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, sono stati realizzati amplificatori ottici, risonatori ottici, diodi elettroluminescenti ed altri componenti grazie alle nuove proprietà risultanti dal confinamento spaziale di portatori di carica e di fotoni.
Merita inoltre fare un cenno anche sulle tecnologie wireless basate su componenti di nanotecnologie. Sempre IBM, nel 2011, hanno annunciato un chip (Figura 11) basato sul grafene (quindi carbonio invece di silicio) che opera a frequenze fino a 10 GHz.
A titolo di esempio infine in Figura 12 si riportano due esempi di circuiti nanoelettrici.

 

Figura 10 - Schema di funzionamento del calcolatore fotonico

 

Figura 11 - Chip al grafene

 

Figura 12 - Nano-circuiti elettrici

 

5.3 - Sanità

I settori della sanità, della farmacologia e del wellness sono quelli dove le nanotecnologie hanno trovato le prime applicazioni, tra le quali: la disponibilità di nuovi farmaci nanostrutturati (focused drug delivery), che offrono nuove modalità ed opportunità di somministrazione ed impiego (Es. insuline intelligenti, gel cicatrizzanti,…) anche con  “risposta a comando” (triggered response).
Da citare anche nuovi materiali con elevate prestazioni (dalle protesi ai cerotti, odontoiatria,…), i sensori ad alta efficienza-prestazioni e minore invasività (Es.: cicatrizzanti intelligenti, rilevatori di cellule cancerogene,…). Interessanti applicazioni anche nel settore della nano-micro chirurgia e strumenti chirurgici innovativi, nel settore degli esami di laboratorio (Es. speed DNA evaluation, fluorescenza molecolare,…), nei prodotti di cosmesi e nella sensoristica avanzata.

5.4 - Trasporti

Il settore dell’auto vede già oggi largamente impiegati i vetri autopulenti ed antiriflesso, le carrozzerie delle vetture antigraffio e con limitati effetti legati ad eventuali danni vandalici, parti del motore e delle carrozzerie ultraleggere e resistenti agli stress meccanici e termici, maggiormente resistenti alla corrosione, meno inquinanti (vedi ad esempio le marmitte catalitiche di ultima generazione); il tutto basato sull’impiego delle nanotecnologie. Da non dimenticare la prevista massiccia introduzione di nanosensoristica avanzata nelle vetture che presumibilmente cambierà in modo radicale il funzionamento delle auto nei prossimi anni (vedi ad esempio, Figura 13, un esempio di “self driving car”) .
Anche nel settore del trasporto aereo, come in quello aerospaziale, i prodotti nanotecnologici sono largamente ed utilmente impiegati da tempo: la realizzazione di velivoli più leggeri e sicuri consente, ad esempio, di ridurre sensibilmente i costi dei carburanti, aumentare la sicurezza e le prestazioni dei velivoli. 

 

Figura 13 - Un esempio di driverless car

 

5.5 - Settore Agricolo ed alimentare

In questo ambito si ricordano applicazioni legate alla Nanosensoristica diffusa e localizzata applicata alla agricoltura (smart farm), nei sistemi di somministrazione di pesticidi, fertilizzanti (nanodispenser), nel controllo e localizzazione a distanza delle colture (precision farm), nel rilevamento del grado di purezza delle sostanze (Es. nano barcode), nella conservazione e monitoring alimentare, nel packaging intelligente (Es. rilevamento batteri), nei processi di purificazione dei liquidi (Es. acqua), nelle applicazioni nel settore della bonifica agricola, nel settore ecologico e controllo dell’ambiente.

5.6 - Tessile, abbigliamento e sport

Numerose le applicazioni in questo settore, alcune disponibili già da molti anni, quali ad esempio il famoso tessuto Goretex (1980), precursore di una nuova classe di tessuti più moderni ed efficaci,  costituito da fori del tessuto 20mila volte più piccoli delle particelle dell’acqua (ma permette la respirazione e la traspirazione).
Si ricordano inoltre i tessuti/film/fibre idrorepellenti, autopulenti, antibatterici, isolanti, traspiranti, antimacchia, anti UV, antistatici, resistenti ai lavaggi, antifiamma, con colori mutanti e le applicazioni nel settore sport, lavoro, antinfortunistico come i polimeri anticontraffazione MPID (Materiali Plastici Informativi Decodificabili).
Anche il settore della oggettistica sta fortemente beneficiando dei materiali in arrivo dal mondo della nanotecnologia con ad esempio le lampade ad illuminazione e purificazione aria o il settore della orologeria.

5.7 - Costruzioni

Si ricordano in questo ambito i nuovi materiali quali le leghe a memoria di forma SMA (Shape Memory Alloys), le strutture portanti con nanotubi con elevatissime prestazioni meccaniche, gli additivi per materiali edili (calcestruzzo) ad alta resistenza, i siliconi termicamente conduttivi, i materiali anticorrosione, autopulenti, idrorepellenti, isolanti, antiscivolo. Interessanti applicazioni si riscontrano anche nel settore dei materiali per il recupero di edifici storici (Es. Progetto Nanomat6) o  nella realizzazione dei magazzini di scorie nucleari. Particolarmente interessante l’area dei materiali impiegati in edilizia quali i materiali per rivestimenti costituiti da microscopiche sfere cave di ceramica immerse in supporto acrilico con innovative caratteristiche fisiche, quali alta riflettività nello spettro della radiazione solare dall’infrarosso fino all’ultravioletto, alta impenetrabilità da parte di agenti esterni (acqua, smog, batteri, muffe, alghe), elevata traspirabilità e resistenza all’invecchiamento.

5.8 - Applicazioni nel settore dei Beni Culturali

In questo ambito sono da citare: l’impiego di nuovi materiali nelle operazioni di restauro/consolidamento degli edifici storici ed architettonici, delle opere d’arte, dei monumenti (es.: nanocalci-nanosali per consolidamento di edifici (interni-esterni), le soluzioni pulenti, anti umidità e anti smog, la protezione ai raggi solari ed elementi inquinanti, le pellicole protettive nella valutazione dello stato di conservazione di immobili e  nella datazione ed autenticazione delle opere d’arte.

6 - Nanotecnologie per la futura Smart City

La Smart City può essere vista come un ambiente che fa uso capillare e intensivo delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT). Quest’ultime, a loro volta, sono strettamente dipendenti dalle tecnologie di base, ossia quell’insieme di materiali e metamateriali [2], le cui caratteristiche consentono la realizzazione di dispositivi sempre più performanti. Vediamone alcuni.

6.1  - Grafene, nanotubi, stanene e meta-materiali

Un punto di svolta (turning point) sulla tecnologia del carbonio si è avuto nel 2004 quando Andre Geim e Konstantin Novoselov, due ricercatori dell’Università di Manchester, mentre prelevavano campioni di grafite utilizzando dei nastri adesivi, scoprirono quasi per caso il grafene [3], ossia il materiale più sottile del mondo, costituito da un solo strato di atomi di carbonio.
Molto semplicemente, Geim e Novoselov osservarono che quando staccavano il nastro adesivo dal blocco rimaneva su di esso una patina di grafite; iterando questa operazione, che tecnicamente si chiama esfoliazione, si arriva ad un foglio di spessore atomico che è appunto il grafene. Esso è talmente sottile che viene considerato bidimensionale: per arrivare a un millimetro di spessore occorrono tre milioni di fogli di grafene sovrapposti.
La sua sottigliezza non deve però trarre in inganno: il grafene (Figura 14) è cento volte più resistente dell'acciaio e sei volte più elastico, conduce calore ed elettricità, ha una struttura esagonale stabile e regolare ed è quasi trasparente. La scoperta del grafene, da alcuni ribattezzato il “materiale delle meraviglie”, valse a Geim e Novoselov il premio Nobel nel 2010. 

 

Figura 14 - Forme allotropiche del carbonio

 

Le proprietà del grafene e del nanotubo, sono impressionanti e i primi risultati confermano le aspettative nei settori più disparati: aerei più leggeri, connessioni Internet ancora più veloci, chip ultraveloci, retine artificiali, sequenziamento del DNA più rapido, applicazioni mediche e ambientali ritenute impossibili in precedenza, pannelli solari ad alta efficienza, batterie più compatte e durature per le auto elettriche, ecc.
Se il grafene può fregiarsi del titolo di “materiale delle meraviglie”, un altro nanomateriale da poco scoperto dagli scienziati della Stanford University non è da meno: si tratta dello stanene [4]. A dispetto del nome poco attraente, una combinazione della parola latina stannum (ossia stagno) e la desinenza -ene, Figura 15a) presenta una conducibilità elettrica prossima al 100%, assai superiore al grafene.
In altre parole ciò significa disporre della tanto ambita "superconduttività a temperatura ambiente”, una proprietà che i fisici definiscono isolamento topologico, indicando con essa la peculiarità di un materiale di non permettere il passaggio dell’elettricità al proprio interno e, contestualmente, non opporre alcuna resistenza al passaggio della medesima sulla sua superficie o lungo i suoi bordi.
Nella comunità scientifica, questo bizzarro comportamento è conosciuto come "effetto Hall quantistico di spin” [5], un fenomeno per cui gli elettroni che circolano sulla superficie di un isolante topologico si muovono tutti nella stessa direzione senza esercitare frizione come se, in levitazione, seguissero un flusso continuo di energia.
In sintesi lo stanene potrebbe rivoluzionare il mondo della microelettronica, consentendo la realizzazione di microprocessori assai più performanti, nei quali le interconnessioni in stanene consentiranno agli elettroni un’elevatissima velocità di propagazione unitamente ad una bassissima dissipazione di potenza, in virtù della superconduttività a temperatura ambiente. Tutto ciò, utilizzando un materiale di partenza come lo stagno che è abbondante in natura e che non minaccia l’ecosistema.
Recentemente, l’uomo è stato anche in grado di produrre i metamateriali, ossia nuovi materiali costituiti da sostanze tradizionali, come metalli o semiconduttori, ma organizzati in schemi alternati in grado di modificare le proprietà collettive. In altri termini, un metamateriale acquisisce le sue proprietà dalla sua struttura piuttosto che direttamente dalla sua composizione chimica; in particolare, i meta-materiali consentono di manipolare la radiazione elettromagnetica in modi impensabili per i materiali convenzionali.
Aspetto precipuo dei metamateriali è la loro capacità di rifrangere le radiazioni elettromagnetiche in senso inverso rispetto a quelli naturali, ossia sono materiali a rifrazione negativa (Figura 15b). Per questa peculiarità, i metamateriali consentono la realizzazione di dispositivi elettromagnetici dalle caratteristiche e dimensioni impossibili da conseguire con i materiali ordinari e il loro impiego è strategico in un campo di frequenze molto vasto che si estende dalle microonde fino al dominio ottico.
L’indice di rifrazione negativa dei metamateriali consente ad esempio la realizzazione di lenti per dispositivi ad infrarossi che sono assai più piccole delle lenti tradizionali; questo consente ad esempio un’integrazione più spinta dei sensori e dei dispositivi elettro-ottici impiegati nei sistemi di telecomunicazioni. Sempre nell’ambito delle telecomunicazioni, i metamateriali hanno finalmente consentito di operare nella Terahertz band [6], una porzione dello spettro radio (300 GHz ÷ 10 THz) molto promettente in ambito Smart City, che non poteva essere gestita dalle apparecchiature elettroniche convenzionali per via della frequenza eccessivamente elevata ma nel contempo presentava frequenze troppo basse per essere gestite dalle apparecchiature ottiche.

 

Figura 15 - (a) Foglio monoatomico di stanene, (b) Metamateriale ad indice di rifrazione negativa carbonio

 

In ambito Smart City, le lenti a metamateriale hanno consentito una rivoluzionaria metodologie per il monitoraggio della qualità dell’aria che respiriamo. In particolare, nell’ambito del progetto MIRTHE (Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment) [7] si stanno sviluppando micro-sensori che misurano la quantità delle tracce di determinati gas, sia nell'atmosfera che nella respirazione umana. Tali sensori utilizzano, per la parte analitica, anche dei laser a infrarossi. In precedenza, una capillare distribuzione sul territorio dei suddetti sensori era improponibile per via delle loro notevoli dimensioni delle lenti; ora, con l’adozione dei micro-sensori a lente in metamateriale, il problema è risolto.
Vi è anche una notevole attenzione sui risultati ottenuti da alcuni ricercatori della Duke University [8] che hanno realizzato un sensore "fotografico" a metamateriale capace di comprimere le immagini già in fase di acquisizione in modo più efficiente di quanto non facciano gli attuali algoritmi JPEG. Attualmente, il nuovo sensore a metamateriale è capace di registrare immagini statiche e sequenze a 10 fps (fotogrammi per secondo); il fatto che la compressione avvenga nella primissima fase di acquisizione, direttamente nell'hardware anziché in una successiva fase di post-elaborazione software, elimina la necessità di altro hardware dedicato e riduce i costi legati alla memoria ed alla trasmissione delle informazioni.

6.2 - Super accumulatori a grafene e nanotubi per il veicolo elettrico

Un team di ricercatori della Rice University [9] ha ottenuto un perfetto connubio tra  un substrato di grafene e dei nanotubi fatti crescere a partire dal medesimo. Questa struttura rappresenta ad oggi il miglior materiale di interfaccia disponibile per la realizzazione degli elettrodi da impiegare nello stoccaggio dell’energia elettrica. Il team è riuscito a far crescere con successo una fitta rete di nanotubi di carbonio, che si ergono dal foglio base di grafene, estendendosi in altezza fino a 120 μm (Figura 16a).
Questi nanotubi che si ergono dal grafene, offrono una grandissima superficie di immagazzinamento, il fattore chiave per molti impieghi, come ad esempio, la realizzazione dei ultra-condensatori [10] di stoccaggio dell'energia per l’auto elettrica. Per dare un’idea di cosa si intenda per “grandissima superficie di immagazzinamento”, basti pensare che la struttura in questione è dell’ordine dei micron, ossia milionesimi di metro, ma, per ogni suo grammo di peso, essa offre una superficie, di oltre 2000 metri quadrati!
I ricercatori del NJIT (New Jersey Institute of Technology) [11] hanno già dimostrato la fattibilità delle batterie flessibili a nanotubi di carbonio (Figura 16b) che dovranno alimentare i futuri dispositivi elettronici wearable, ossia  indossabili e quindi flessibili, come ad esempio un bracciale-smart-phone da mettere al polso. Dette batterie sono basate su una semplice architettura a due strati di film sottile  tra i quali è depositato un elettrolita; la funzionalità dell’elettrodo positivo e di quello negativo sono espletate da matrici nanotubi di carbonio.
Il passaggio da questi piccoli accumulatori per i terminali mobili del futuro a quelli di potenza per l’auto elettrica è incentrato su di una storia tutta italiana. Riccardo Signorelli [12], conterraneo di Alessandro Volta, entrò nel 2003 al Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems del MIT per un dottorato con Joel Schindall, il mago degli ultra-condensatori.
La sfida, in termini di densità di energia, tra il carburante tradizionale e l’accumulatore elettrico affrontata da Signorelli è stata assai ardua:  un litro di benzina contiene 35 volte l'energia accumulata in una batteria convenzionale al piombo e 6 volte quella di una batteria agli ioni di litio, la più usata nelle auto elettriche di ultima generazione. Signorelli, sotto la guida di Schindall, puntò tutto sulle nanotecnologie ed in particolare sui nanotubi di carbonio per ottenere una batteria con densità di energia pari a quella del litro di benzina. La cosa non passò inosservata al governo americano che finanziò con 7,5 milioni di dollari la neonata FastCap Systems [13]  fondata appunto da Signorelli.
I risultati non si sono fatti attendere: è stato realizzato con successo Ulysses, un ultra-condensatore più potente, più economico, più sicuro e dieci volte più capace di quelli attuali.
Un ultra-condensatore [10] funziona in base a un principio fisico, non elettrochimico come le batterie, per cui può caricarsi e scaricarsi istantaneamente, fino a un milione di volte. Massima potenza nel minimo lasso di tempo. E quindi possibilità di caricare in una manciata di secondi una vettura elettrica. Finora, il rovescio della medaglia dell’ ultra-condensatore era che esso richiedeva grosse dimensioni fisiche perché l’energia stoccata è proporzionale alle superfici nelle quali si immagazzina il campo elettrostatico.
Per aumentare la quantità di energia stoccata, quindi, bisogna estendere al massimo le superfici disponibili. A questo fine, gli ultra-condensatori di Signorelli utilizzano i nanotubi di carbonio fatti crescere da un substrato di grafene (Figura 16a); come già evidenziato in precedenza, un grammo di questi nanotubi offrono una superficie di 2000 metri quadrati.

 

Figura 16 - (a) crescita di nanotubi, (b) batterie flessibili a nanotubi

 

6.3 - Nanosensori, nanoattuatori e nanoradio: l’Internet delle nanocose per la Smart City

Col termine di nanosensore si intende un dispositivo, realizzato con nanotecnologie, che ha il compito di tradurre le informazioni fisiche che raccoglie dal mondo nanometrico in informazioni elettriche da restituire al nostro mondo macroscopico. Per nanoattuatore si intende invece un dispositivo, anch’esso realizzato con nanotecnologie, che ha il compito di tradurre le informazioni elettriche provenienti dal nostro mondo macroscopico in movimenti meccanici da effettuare nel mondo nanometrico.
La capacità delle nanotecnologie di realizzare questi dispositivi di sensoristica e di attuazione porterà ad una rivoluzione di Internet, che per l’occasione cambierà nome in “Internet delle nanocose” [14]. Questo perché l’uomo si è presto accorto che Internet è sì un immenso deposito di conoscenze del mondo, ma non ha nessuno dei cinque sensi umani necessari a percepire gli stimoli dell’ambiente circostante e tanto meno le articolazioni fisiche per reagire ai medesimi. Nanosensori e nanoattuatori faranno proprio questo, semplificandoci “fisicamente” la vita, magari attuando automaticamente tutta una serie di operazioni tediose e ripetitive cui siamo costretti nel nostro vivere quotidiano. In altre parole, Internet si estenderà dal mondo virtuale al mondo degli oggetti e dei luoghi concreti.
Questa integrazione in rete fra mondo digitale e reale è in continua crescita; già oggi facciamo uso, in modo più o meno consapevole, di migliaia di sensori e attuatori implementati nelle automobili, nei gadget elettronici portatili, negli elettrodomestici ecc. Nel momento in cui questi dispositivi, comunemente chiamati “Embedded Systems” [15], interloquiranno tra di loro rappresenteranno il “sistema nervoso” della città e quindi della società. Conseguentemente, nanosensori e nanoattuatori dovranno comunicare tra di loro e col mondo esterno, motivo per cui si rende necessario anche un dispositivo “nanoradio”.
Fortunatamente, un nanotubo è già una nanoradio completa (Figura 17a), perché può funzionare come antenna, sintonizzatore, amplificatore e demodulatore. Per chi conosce le basi funzionali di un semplice ricevitore radio rimarrà sorpreso dalla semplicità del funzionamento. Il nanotubo non si comporta da antenna nel senso convenzionale del termine. Ciò vuol dire che, invece di catturare le onde elettromagnetiche elettricamente, le raccoglie in maniera meccanica. Ciò dipende dalla frequenza di risonanza naturale del nanotubo. Appena incontra delle onde radio che corrispondono a tale frequenza, il nanotubo inizia a vibrare all’unisono con le onde, sintonizzandosi su quel segnale radio.
Siccome il nanotubo è posto tra due elettrodi ai quali è applicata una tensione, le vibrazioni del nanotubo alterano la corrente tra i medesimi, e le vibrazioni meccaniche vengono così convertite in un segnale elettrico. Inoltre, questo meccanismo è per sua natura asimmetrico e permette alla corrente di fluire in una sola direzione, allo stesso modo dei diodi e rettificatori impiegati nei demodulatori radio. Quindi il nanotubo funge anche da demodulatore fornendo in uscita il segnale a bassa frequenza desiderato (es. musica). Per sintonizzare una stazione diversa, è sufficiente cambiare la frequenza di risonanza del nanotubo, variando il voltaggio applicato tra gli elettrodi.
La convergenza tra Telco, Media ed Elettronica di Consumo sta portando sempre più alla necessità di interpretare come dispositivi in rete oggetti molto diversi e precedentemente non connessi tra loro. Grazie allo sviluppo delle nanoradio [16] e della sensoristica, gli oggetti acquisiscono la capacità di interagire tra loro, anche senza l’intervento dell’uomo e, necessariamente, aumentano le proprie capacità di autoconfigurarsi e autogovernarsi, guidati da informazioni prelevate autonomamente dal contesto nel quale operano (Context Awareness).
A titolo di esempio, una significativa applicazione dei nanoattuatori è stata ottenuta in ambito medicale da ricercatori australiani della Monash University di Melbourne [17]: si tratta di un dispositivo a forma di cilindretto (Figura 17b) che viene iniettato nell'arteria femorale: da qui si muove grazie ad un motore piezoelettrico. Grazie a una coda che si muove come se fosse un'elica, il nanoattuatore riesce quindi a “viaggiare” nel flusso sanguigno fino al punto desiderato. Dotato di microtelecamera e guidato da un chirurgo, può raggiungere il punto da operare e intervenire con grande precisione con i suoi nanostrumenti.
Per quanto concerne i nanosensori in un contesto “Smart Cities” è d’obbligo mostrare una loro applicazione nel campo del monitoraggio dell’inquinamento dell’aria e delle acque. È significativa a questo proposito l’innovazione condotta dall’ENEA per questi nanosensori basati su tecnologie di film sottili che impiegano nanotubi di carbonio.
Sono questi componenti innovativi che hanno consentito alla centralina di monitoraggio Nasus di aumentare la capacità di rilevare un determinato inquinante, anche se presente a concentrazioni bassissime in tracce dell’ordine di qualche decina di parti per miliardo. Per esempio, con i sensori di Nasus è possibile misurare il livello di attenzione (100 ppb, parts per billion, parti per miliardo) ed il livello di allarme (200 ppb) dell’NO2 (biossido di azoto) presente nell’aria secondo le normative italiane vigenti.
Le dimensioni dei nanosensori impiegati in Nasus permettono l’elevata reattività chimica con le specie gassose da rivelare in quanto le dimensioni molecolari sono paragonabili e quindi vi è alta interazione con il nanomateriale assorbente a base di nanotubi di carbonio.

 

Figura 17 - (a) nanoradio a nanotubo, (b) nanoattuatore per pulire le arterie

 

6.4 - Miliardi di nano-oggetti comunicanti: e le batterie?

Se ipotizziamo, probabilmente per difetto, che in un futuro nemmeno remoto ogni nucleo famigliare potrebbe avere 1000 nano-oggetti connessi in nano-reti ed una Smart City media potrebbe avere 5 milioni di abitanti (media mondiale) è ragionevole stimare una presenza di 5 miliardi di oggetti per città intelligente. Anche il più minimale di questi oggetti conterrà un nanosensore, un nanoprocessore ed una nanoradio e quindi richiederà una batteria. Sorge spontanea la domanda: quanto costano 5 miliardi di batterie in termini di produzione, manutenzione e smaltimento?
La risposta è semplice: non si useranno più le batterie, ma si ricorrerà all’energy scavenging, talvolta chiamata anche energy harvesting. Con questi termini si intende l’insieme di nanotecnologie atte a tradurre le forme di energia presenti nell’ambiente circostante (luce, suoni, vento, vibrazioni, calore, campi elettromagnetici, ecc.) in energia elettrica necessaria ad alimentare gli oggetti comunicanti.
In questo contesto, una promettente applicazione nanotecnologica proviene dal MIT di Boston [18], dove un gruppo di ricercatori ha utilizzato nanotubi di carbonio per produrre chimicamente un materiale in grado di immagazzinare nei legami molecolari una grande quantità di energia solare termica e trattenerla a lungo. Il meccanismo di base è noto da tempo: vi sono composti molecolari che, se colpiti dalla luce solare, cambiano conformazione, immagazzinando in tal modo l’energia ricevuta. Quando la si voglia recuperare, occorre stimolare i composti (tramite calore, luce, una reazione chimica o l’applicazione di una tensione, a seconda del caso), i quali vanno incontro ad una trasformazione che li riporta nel suo stato iniziale liberando l’energia.
L’innovazione introdotta dal team del MIT consiste nell’aver impiegato dei nanotubi di carbonio per intrappolare in modo vicino ed ordinato le molecole del composto deputato all’immagazzinamento energetico (Figura 18a), evitando così che quest’ultimo si disperda disordinatamente come accadeva in precedenza. Il team del MIT afferma che questa nuova struttura a nanotubi ha una densità energetica volumetrica, ossia una capacità di immagazzinare energia, 10.000 volte maggiore di quella ottenibile in passato con i soli composti molecolari non intrappolati: ciò è equivalente o addirittura superiore alla capacità di una moderna batteria a ioni di litio.
Per quanto riguarda la conversione del calore in energia elettrica esistono da molti anni dispositivi basati sull’effetto Seebeck, ossia un effetto termoelettrico per cui, in un circuito costituito da conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura genera elettricità. Il problema di questi dispositivi è la bassa resa e, soprattutto il fatto che, in natura, la differenza di temperatura tra due punti ha come conseguenza l’instaurarsi di un flusso di energia termica dal punto caldo al punto freddo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
Ovviamente, una volta raggiunto l’equilibrio termico non è più possibile ottenere energia elettrica per effetto Seebeck. Paradossalmente, l’ideale sarebbe disporre di un materiale che garantisca alta conducibilità elettrica, per abbassare la resistenza interna, e , al contempo, bassa conducibilità termica per mantenere il gradiente termico più alto possibile. Gli ultimi due requisiti sono tipicamente inconciliabili nei materiali tradizionali che, se sono dei buoni conduttori elettrici, sono anche buoni conduttori termici.
Grazie alle nanotecnologie, di recente sono stati sperimentati materiali nanostrutturati che mirano a raddoppiare l’efficienza rispetto ai dispositivi realizzati con materiali tradizionali. È il caso dei  ricercatori del CALTECH (California Institute of Technology), che, guidati dal professore di chimica James Heath, hanno realizzato nuovi materiali [19] che possono incrementare l’efficienza dei dispositivi termoelettrici. In particolare, i ricercatori sono riusciti a separare la relazione tra conducibilità termica e quella elettrica riducendo in modo significativo la conducibilità termica dei fili nanometrici di silicio (Figura 18b) senza ridurre in modo apprezzabile la loro conducibilità elettrica.
Altrettanto promettenti i risultati conseguiti presso l’IMRI (Institute for Materials Research and Innovation) dell’Università britannica di Bolton [20], dove è stato creato un dispositivo di scavenging ibrido, in grado di catturare l’energia da tutti e tre gli elementi atmosferici, vento pioggia e luce, per alimentare gli oggetti posti all’aperto (Figura 18c).

 

Figura 18 - Energy Scavengers: (a) energia solare, (b) calore, (c) vento, pioggia e luce

 

Questo dispositivo, flessibile come un nastro, è composto da diversi elementi nanostrutturati sovrapposti. Il rivestimento polimerico esterno del dispositivo, in PVDE (fluoruro di polivinilidene), quando è stimolato dal vento o dalle gocce di pioggia trasmette il movimento ai materiali ceramici piezoelettrici sottostanti che portano alla generazione di elettricità. Lo stesso nastro è poi ricoperto con un pellicola fotovoltaica ultra sottile e flessibile a nanotubi ed è completato dalla presenza di due elettrodi alle estremità. Contestualmente, il team l’IMRI sta realizzando indumenti rivestiti da questo dispositivo flessibile, grazie al quale è possibile produrre energia elettrica con i movimenti del corpo, e ricaricare dispositivi mobili come cellulari, tablet o altro.
In una Smart City, sia in ambiente indoor che outdoor, vi è poi ampia disponibilità di vibrazioni: elettrodomestici, macchinari industriali, mezzi di trasporto e strade presentano frequentemente vibrazioni con un livello energetico tale da rendere interessante una loro conversione in elettricità tramite degli energy scavenger, che possono essere di tipo piezoelettrico, elettrostatico ed elettromagnetico. In altri termini, le vibrazioni meccaniche vengono convertite in energia elettrica. Ad esempio, in diverse città europee sono già presenti delle pedane stradali: quando vi transitano le automobili, il loro peso comprime le pedane che, grazie a sistemi a dinamo, o a placche piezoelettriche oppure elettrostatiche, generano una rimarchevole quantità di energia che è poi destinata all’alimentazione dei sensori e degli attuatori che gestiscono la viabilità intelligente.
Infine, è anche possibile estrarre energia dai campi elettromagnetici che oggigiorno risultano molteplici e pervasivi: basti pensare ai campi elettromagnetici irradiati dalle trasmissioni radio-televisive, dal GSM, UMTS nonché dalla banda ISM [21] a 2.4GHz che include tecnologie quali il Wi-Fi, il Bluetooth, lo ZigBee ecc. Questa estrazione di energia elettrica dai campi elettromagnetici circostanti è resa possibile grazie all’impiego di un dispositivo chiamato rectenna [22], contrazione di “rectifying antenna”. Essa è sostanzialmente composta da un diodo Schottky collegato tra i dipoli di un'antenna. Il diodo rettifica la corrente indotta sull'antenna dal campo elettromagnetico incidente convertendola in corrente continua. L’energy scavenging tramite rectenne, è una tecnologia a basso costo e impatto ecologico e ambientale nullo, con innumerevoli risvolti applicativi nell’internet delle nanocose.

7 - Le problematiche legate al settore delle nanotecnologie

Le nanotecnologie però non devono essere viste come una panacea; esistono delle problematiche, come ad esempio il fatto che dispositivi nanotecnologici sono piccoli, piccolissimi, poco visibili e trattabili con difficoltà. Ciò può portare  a possibili rischi per la salute e per l’ambiente. I rischi legati alle dimensioni nano possono essere così sintetizzati:

  • dispersione nell’ambiente, assorbimento, contatto, tossicità, estrema reattività…;
  • trattamento delle scorie e del loro smaltimento;
  • sicurezza nei processi produttivi ed all’impiego di prodotti nanotech;
  • rischi legati all’intero ciclo di vita dei dispositivi nanotech;
  • aspetti etici (“la Nanotecnologia divide, è una tecnologia dei ricchi e aumenta il technology Divide”).

E inoltre da ricordare che a livello internazionale cresce la consapevolezza  delle problematiche connesse ad un corretto approccio al mondo delle nanotecnologie e sono in corso studi per approfondire le conoscenze nel settore ed ottenere ad esempio metodi comuni per misurare l’eventuale tossicità dei nanomateriali o il loro impatto lungo l’intero ciclo di vita, piuttosto che valutare come “mescolare” il nanoelemento con sostanze neutre senza “problemi”.

Conclusioni

In questo articolo si è brevemente introdotto il mondo delle nanotecnologie che già oggi trovano impiego in molti settori industriali. In particolare, ci si è soffermati sul mondo della nano-elettronica e delle reti di TLC, dove i circuiti elettro-fotonici possono svolgere un ruolo prestazionale rimarchevole in termini di velocità di trasmissione dei segnali e della loro elaborazione.
Fino a ieri, uno degli ostacoli maggiori per conseguire questo obiettivo era rappresentato dal basso livello di integrazione fisica degli attuali circuiti fotonici (dimensioni di alcuni millimetri) che, conseguentemente, erano presenti in numero ridotto all’interno in un chip, svolgendo così un numero limitato di funzioni. Grazie all’avvento dei nanotubi di carbonio e dei metamateriali, oggi questo problema è stato ovviato, producendo così chip elettro-ottici sempre più compatti e performanti in termini di velocità e capacità di elaborazione.
Le recenti nanotecnologie stanno inoltre rendendo disponibili nanosensori e nanoattuatori a basso costo ed elevata affidabilità, trasformando così Internet da come la conosciamo all’Internet delle cose (IOT), ossia la trasmigrazione della medesima dal mondo virtuale a quello degli oggetti e dei luoghi concreti. Questa integrazione in rete fra mondo digitale e reale è in continua crescita; già oggi facciamo già uso, in modo più o meno consapevole, di migliaia di sensori e attuatori implementati nelle automobili, nei gadget elettronici portatili, negli elettrodomestici ecc.
Di fatto, le nanotecnologie stanno operando un mutamento concettuale e radicale dell’ambiente fisico che ci circonda e del nostro futuro stile di vita: nanosensori, nanoattuatori e nano-elettronica di processamento diverranno sempre più pervasivi e microscopici, tanto che già si parla di “Internet delle nano-cose”.
Nell’Internet delle nano-cose, telefonini, videocamere e quant’altro potrebbero letteralmente “sparire”, nel senso che le loro nano-dimensioni li rendono invisibili all’occhio umano, ma allo stesso tempo essi saranno ovunque attorno a noi. Interloquiranno con noi e interloquiranno tra di loro al fine di offrire in tempio reale la miglior risposta alle nostre precise esigenze.
Infine, le nanotecnologie stanno provvedendo anche alle modalità con cui questa miriade di nano-oggetti dovranno essere alimentati; è infatti impensabile l’uso di miliardi batterie in termini di costo, manutenzione e smaltimento. Già oggi, oggetti nanotecnologici eseguono l’energy scanvenging, ossia catturano l’energia ambientale circostante, presente sotto forma di luce, suoni, vento, vibrazioni, calore, campi elettromagnetici, ecc., e la convertono in energia elettrica.

Bibliografia

  1. Smart Grid, http://it.wikipedia.org/wiki/Smart_grid
  2. Metamateriale, http://it.wikipedia.org/wiki/Metamateriale
  3. Grafene, http://it.wikipedia.org/wiki/Grafene
  4. Stanene, https://www6.slac.stanford.edu/news/2013-11-21-tin-super-material-stanene.aspx
  5. Effetto Hall quantistico di spin, http://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Hall_quantistico
  6. Bella Valter, “Raggio t: proprietà e applicazioni della Terahertz band”, Notiziario tecnico Telecom Italia, n°2 – 2013 - http://www.telecomitalia.com/tit/it/innovation/notiziario-tecnico.html
  7. MIRTHE  project: http://www.mirthecenter.org/
  8. Metamaterial Apertures for Computational Imaging”, Science 18 January 2013, Vol. 339 no. 6117 pp. 310-313, http://www.sciencemag.org/content/339/6117/310
  9. “A seamless three-dimensional carbon nanotube graphene hybrid material”,  Nature Communications 3, Article number: 1225, Published 27 November 2012 http://news.rice.edu/2012/11/27/james-bond-a-graphenenanotube-hybrid/
  10. Ultra-condensatore, http://it.wikipedia.org/wiki/Supercondensatori
  11. “Researchers at NJIT have developed a flexible battery made with carbon nanotubes”, New Jersey Institute of Technology http://www.njit.edu/features/faculty/flexible-battery.php
  12. Riccardo Signorelli, http://www.fastcapsystems.com/about_us/our-team
  13. FastCap Systems, http://www.fastcapsystems.com/
  14. Ian F. Akyildiz, Josep Miquel Jornet, “The Internet of Nanothings”, Georgia Institute Of Technology, http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/surveys/nanothings.pdf
  15. Embedded System, http://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_system
  16. Nanoradio. http://en.wikipedia.org/wiki/Nanoradio 
  17. Monash University, Melbourne, Australia,  http://www.monash.edu.au/
  18. Marco Bernardi, Jeffrey C. Grossman “Optimal Sunlight Harvesting in Photovoltaics and Photosynthesis”, http://zeppola.mit.edu/pubs/Marco_JPCC_2013.pdf
  19. “Nuovi materiali nanostrutturati per aumentare l’efficienza dei convertitori termoelettrici”,
    http://blog.crit-research.it/?p=1846
  20. IMRI (Institute for Materials Research and Innovation) - http://www.bolton.ac.uk/IMRI
  21. ISM (Industrial, Scientific and Medical radio bands), http://en.wikipedia.org/wiki/ISM_band
  22. Rectenna, http://it.wikipedia.org/wiki/Rectenna
 

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