Dalla fine della seconda guerra mondiale le ricerca fisica e tecnologica ha subito una decisa evoluzione verso lo studio di sistemi sempre più piccoli, per arrivare, ai giorni nostri, all’esplosivo sviluppo della ricerca di base ed applicativa riguardante i sistemi nanometrici.

Motore di ciò è stato in un primo momento la necessità di avere sistemi non troppo voluminosi e che funzionassero con piccolo impiego di energia, sostanzialmente in due campi: a) lo sviluppo di sistemi radar che potessero essere collocati su aerei o piccole navi; b) lo sviluppo di macchine calcolatrici veloci, di piccolo volume e funzionanti a basso impiego di energia per le necessità militari (tavole  o algoritmi per guidare missili o disegnare ordigni bellici complessi, come le bombe a fissione e a fusione).

Elemento centrale di questi sviluppi è stato l’invenzione del transistore, dispositivo che svolge le stesse funzioni di una valvola termoionica, che alcuni ricordano di aver visto nelle vecchie radio. Il transistore è nato utilizzando materiali di dimensioni macroscopiche: la parola “macroscopico” è usata con il significato di indicare un materiale contenente molti miliardi di atomi interagenti disposti in forma cristallina o amorfa. Per avere una idea di come il concetto di sistema macroscopico possa applicarsi anche a sistemi piccoli, si consideri, per esempio, un pezzo di silicio o di carbonio a forma cubica avente il lato di un solo mm: tale sistema contiene circa 10¹⁹-10²⁰ atomi che è un numero straordinariamente grande (basti pensare che il debito pubblico italiano è vicino alle 10¹⁵  vecchie lire).

La fisica dei sistemi macroscopici è caratterizzata dal fatto che gli esperimenti danno sempre gli stessi risultati quale che sia l’ambiente in cui il sistema è immerso. Ciò non significa che le proprietà del materiale non possono essere modificate. Per esempio, le proprietà ottiche (assorbimento, riflessione, luminescenza, etc.) e di trasporto (di corrente elettrica, di conduzione termica, etc.) possono essere profondamente modificate impiantando nel materiale atomi di specie diversa. La circostanza fortunata è che non è necessario sostituire una significativa frazione degli atomi per avere modifiche verificabili a livello macroscopico. Ritornando all’esempio descritto riguardante il silicio, basta impiantarne 10¹⁰-10¹¹ per avere effetti gia rivelabili sperimentalmente. La minuscola modifica strutturale porta ad effetti macroscopici e su ciò è basato, per esempio, il funzionamento del transistore. L’energia necessaria per far funzionare il singolo dispositivo è abbassato di oltre 100 volte rispetto alle valvole termoioniche e inoltre l’indipendenza dei fenomeni dall’ambiente esterno rende le nuove proprietà indipendenti da tutto l’apparato elettronico necessario per la loro utilizzazione.

Tutto ciò era già noto negli anni 1940-1950.

Quando si dice che le proprietà dei solidi non dipendono dall’ambiente significa dire che la maggior parte degli atomi e degli elettroni si comportano allo stesso modo; per esprimere il concetto in modo quantitativo si dice che il materiale si comporta come oggetto macroscopico se il rapporto tra il numero totale degli atomi e quelli che stanno in vicinanza delle superfici è molto grande.

Il progredire della tecnica sperimentale è stato tale che è migliorato il controllo dell’ambiente i cui il solido è immerso; come prima conseguenza di ciò è stato possibile studiare il comportamento degli atomi e degli elettroni di superficie, il cui peculiare comportamento sfuggiva prima, sia per la piccolezza degli effetti e sia per la non riproducibilità degli esperimenti. La fisica delle superfici dei sistemi macroscopici ha avuto un grandissimo sviluppo negli anni a partire dal 1970. Ciò ha permesso di sviluppare alcune tecniche sperimentali e teoriche riguardanti il comportamento di un numero di atomi molto più piccoli che nei casi precedenti; il risultato è stato che si è ben compresa la natura delle interazioni degli atomi di superficie con l’ambiente e è stato possibile sviluppare delle tecnologie di controllo dei fenomeni che avvengono all’interfaccia tra due materiali, permettendo di ottenere connessioni con caratteristiche fisiche e strutturali vicine a quelle desiderate.

La fisica teorica dei materiali, sviluppatasi in un primo momento per i materiali macroscopici cristallini (ovvero a struttura periodica), ha subito una forte accelerazione quando sono state inventate delle tecniche di calcolo capaci di trattare correttamente ogni tipo di sistema dalla semplice molecola con pochi atomi, alle molecole complesse organiche e biologiche, agli aggregati di centinaia o migliaia di atomi, sistemi che sono trattati da “principi primi”, come si dice, nel senso che sono richieste, quali conoscenze preliminari, solo le proprietà degli atomi.

Riducendo le dimensioni dei sistemi si arriva alle nanostrutture, le cui dimensioni lineari sono dell’ordine di decine o centinaia di miliardesimi di metri. Non esiste una lunghezza caratteristica che permetta di dire che i sistemi di dimensioni maggiori sono macroscopici e quelli minori nanometrici. Quello che si è trovato è che, per ogni grandezza fisica, esiste una dimensione che separa il comportamento macroscopico da quello nanometrico. L’esempio che si porta sempre è quello della resistenza elettrica che, è noto, nei materiali macroscopici dipende da un grandezza tipica del materiale, la resistività, e da fattori geometrici (è proporzionale alla lunghezza del campione ed è inversamente proporzionale alla sua sezione). In base a questa legge si dovrebbe prevedere che diminuendo la lunghezza del campione, la resistenza elettrica dovrebbe annullarsi. Quel che si trova, invece, è che la resistenza diminuisce, ma non oltre un certo limite, peraltro indipendente dal materiale. La lunghezza critica a cui ciò accade dipende dai meccanismi elementari che creano il fenomeno macroscopico della resistenza elettrica, che può essere descritto come il moto degli elettroni che subiscono in continuazione urti con le vibrazioni degli atomi nelle posizioni di equilibrio e con le impurezze del materiale. La grandezza caratteristica media del moto è chiamata “libero cammino medio” ed indica la distanza percossa mediamente da un elettrone prima di subire un urto; questa grandezza può essere di varie magliaia di miliardesimi di metro, specialmente a bassa temperatura. Quando le dimensioni del campione diventano più piccole di quelle necessarie affinché i meccanismi descritti accadano, si cade nel comportamento nanometrico. 

I materiali nanometrici hanno la proprietà si essere formati da aggregati di decine, centinaia o migliaia atomi. Questa volta non si può più dire che l’ambiente non modifica le proprietà fisiche e chimiche del sistema, perché il numero complessivo degli atomi e confrontabile con quelli che stanno sulla superficie, vale a dire che il sistema più ambiente costituisce un unico oggetto su cui operare. Si hanno a disposizione, in tale maniera, praticamente infiniti sistemi con proprietà molto diverse, essendo sufficiente, per cambiarle, modificare la dimensione del campione o cambiare la specie atomica che lo forma o impiantando in esso atomi di specie diverse o modificando l’ambiente. La ricchezza di questo tipo di fisica e chimica sta proprio nelle infinite possibilità che si offrono agendo sui diversi parametri e che oggi sono conosciute solo in piccola parte. Nel campo dei dispositivi elettronici, per esempio, sta proseguendo il processo della loro miniaturizzazione, cosa che comporta la possibilità di costruirne nuovi capaci di svolgere funzioni sempre più complesse.

Ma la vera nuova frontiera è costituita dalle applicazioni di tali dispositivi ai problemi biologici e medici: a) il “drug delivery”, ovvero la possibilità di utilizzare nanostrutture libere di circolare negli organismi biologici, essere richiamati chimicamente o fisicamente da opportuni ricettori in determinati siti dove rilasciano il medicinale; b) la costruzione di strutture miniaturizzate che possano sostituire organi non funzionanti; c) la interazione tra sistemi biologici e sistemi inorganici nanostrutturati che possano creare dei collegamenti capaci di far comprendere i segnali biologici o di inviarne altri per modificare il comportamento del sistema biologico stesso; d) la creazione di materiale organico-inorganico che possa servire da supporto in operazioni correttive di malformazioni fisiche naturali o conseguenza di traumi; e) la possibilità di penetrare e modificare il comportamento delle molecole biologiche di programmazione e sviluppo degli organismi per eliminare malattie genetiche o modificare caratteri somatici.

L’elenco è parziale, perché le possibilità sono veramente illimitate.

Gli obiettivi non riguardano una sola disciplina scientifica, ma richiedono la collaborazione di fisici, chimici, biologi, medici, ingegneri, ecc. e sono di difficile realizzazione, perché ostacolo non secondario è la mancanza di un linguaggio scientifico comune a tante discipline.

Quello che si fa oggi è che, per esempio, un fisico, interessato a qualche problema biologico o medico, inizia un lungo periodo di apprendistato di queste discipline per poter essere in grado di poter almeno parlare con gli specialisti del settore e ciò deve avvenire prima di cominciare ad affrontare una vera tematica scientifica che richiede sperimentazione o studio teorico.

Prof. Giuseppe IADONISI