La quarta rivoluzione: Nanotecnologie e nanomateriali
La diffusione dei materiali nanotecnologici cambierà lo scenario competitivo di tutti i settori manifatturieri, escludendo dal mercato chi non è in grado di sfruttarli adeguatamente. Grazie a materiali nanotecnologici, sarà infatti possibile costruire prodotti più potenti ed economici.
Il fatto è che i materiali su scala nanometrica presentano proprietà molto diverse da quelle che hanno su scala maggiore. Per esempio, la sommatoria di un numero piccolissimo di forze di attrazione supera la forza di gravità. E questo permette a un animale come il Geco di camminare sul soffitto grazie alla nanostrutturazione dei suoi polpastrelli. Grazie alla nanostrutturazione, le foglie di loto sono idrofobiche e l’acqua rotola su di esse senza bagnarle.
Per dimensioni sempre minori, il contributo della forza di gravità diventa sempre meno preponderante, mentre aumenta notevolmente il contributo della tensione superficiale e delle forze di Van Der Waals, cioé delle forze intramolecolari, che possono essere attrattive e repulsive. L’uomo è riuscito a riprodurre questa nanostrutturazione e a sfruttarla: su questo si basano le nanotecnologie e la loro applicazione industriale.
Unità di misura di riferimento delle nanotecnologie è il nanometro (nm), cioé un miliardesimo di metro. Gli atomi hanno dimensione dell’ordine di 1 ångstrom, che corrisponde a 0,1 nm. In una nanoparticella di 10 nm di lato sono presenti 100x100x100 cioè un milione di atomi. In un cubetto di 1 nm di lato sono presenti 10x10x10 cioè mille atomi (di cui circa 1 ogni 2 in superficie).
I nanomateriali. I materiali strutturati in base a dimensioni nanometriche spesso presentano proprietà e caratteristiche (fisiche, meccaniche, elettriche, magnetiche, ecc.) sensibilmente diverse da quelle degli stessi materiali con struttura di dimensioni maggiori. Si prenda il caso dell’alluminio.
L’alluminio deve le sue proprietà di resistenza alla corrosione al fatto che si ossidano soltanto gli atomi di superficie (si parla infatti di alluminio anodizzato).
Però, se ossidiamo una nanoparticella di alluminio da 1 nm gli atomi di superficie sono 1 ogni 2 e la somma un enorme numero di piccole reazioni esotermiche non è più trascurabile. Anzi ha una potenza enorme. Tanto che la Nasa sta studiando l’uso di nanoparticelle di alluminio come propulsore di razzi.
«La spinta verso le nanotecnologie nasce da tre fattori: la necessità di miniaturizzare; la possibilità di rapportarsi in modo selettivo con strutture di dimensioni molto piccole, con cui prima non riuscivamo a interagire; la possibilità di sfruttare le nuove proprietà della materia
strutturata a livello nanomentrico», ci spiega il professor Alberto Cigada del Politecnico di Milano. Miniaturizzare vuol dire essenzialmente tre cose: aumentare la “potenza”; ridurre i consumi; aprire nuovi mercati (esempi noti sono le potenti memorie e batterie dei prodotti Apple). Una delle tante possibili applicazioni è l’autopulizia. L’uso di biossido di titanio (nanoparticelle annegate nel calcestruzzo o film solgel sulla superficie) garantisce effetti di autopulizia in edifici e infrastrutture stradali.
L’ossido di titanio nanostrutturato è in grado di determinare ossidazione catalitica attivata da luce UV di gran parte degli inquinanti ambientali (e prodotti dal fumo di sigaretta). Queste proprietà possono essere sfruttate per applicazioni out-door (luce solare) ma anche in-door (utilizzando una fonte di radiazione UV).
Grazie a principi come questo, tutti gli attuali dispositivi che prevedono flussaggio dell’aria (condizionatori, frigoriferi, cappe, ventole, lampade, ecc.) potranno essere riprogettati così da dotarli di proprietà di depurazione e antibatteriche. Per esempio, i condizionatori, che oggi vengono giustamente accusati di moltiplicare i batteri se non sottoposti ad adeguata manutenzione, diventeranno depuratori. E anche altri elettrodomestici da cucina, per esempio le cappe. E’ evidente che cosa ciò comporterà per tutto questo settore manufatturiero.
Nel campo delle apparecchiature per la casa, recentemente, per esempio, Doimo cucine ha presentato una linea di prodotto che utilizza Fenix, materiale ottenuto grazie all’impiego di nanotecnologie: il risultato è una superficie opaca, morbida al tatto, anti-impronta, resistente ai graffi e alle abrasioni, antistatica, antimuffa, antibatterica e idrorepellente.
Il nanomateriale più rivoluzionario di tutti: il grafene. Ma l’ultima frontiera, su cui infuria una battaglia che vede coinvolti Stati e colossi dell’industria, è il grafene, costituito da uno strato spesso un atomo, cioè tra 0,1 e 0,5 nanometri. È il materiale più sottile che esista, super leggero, denso, trasparente, resistente allo stress (mille volte più dell’acciaio), efficiente conduttore di calore ed elettricità, resistente alla temperatura e alle variazioni del pH. I giganti dell’elettronica si contendono brevetti e la Ue ha stanziato 1 miliardo di euro per svilupparne la ricerca.
Il grafene è legato a doppio filo con le nanotecnologie poiché si tratta di un materiale costituito da uno strato monoatomico (quindi spesso un atomo, cioè tra 0,1 e 0,5 nanometri) di atomi di carbonio. Per ottenerlo si tratta la grafite (un minerale associato al carbonio) con una soluzione di acido solforico e nitrico.
I due scienziati, Andre Geim e Kostantin Novoselov, dell’università di Manchester che hanno fatto la sua scoperta nel 2004 sono stati premiati con il premio Nobel per la fisica nel 2010.
Questo materiale ha dimostrato sin dal sui albori di avere delle potenzialità talmente elevate da guadagnarsi il soprannome di “materiale delle meraviglie”.
Innanzitutto il grafene alle prove di laboratorio ha dimostrato essere tra i più leggeri e sottili materiali esistenti in natura, ma nonostante ciò esprime doti incomparabili in quanto a densità, trasparenza e resistenza allo stress (1.000 volte in più dell’acciaio). Esso è inoltre un efficiente conduttore di calore ed elettricità associata a resistenza alle temperature e variazioni del PH.
Il grafene viene utilizzato in fogli sottilissimi che permettono di ottenere strutture conosciute come “nanotubi di carboni”. Con questi nanotubi sarà possibile sviluppare materiali estremamente leggeri e resistenti allo stesso tempo da utilizzare nella progettazione aereonautica, diminuendo così drasticamente i consumi, ad oggi notevoli, dei velivoli ad uso civile e militare, oppure per la produzione di pale eoliche dove la leggerezza del grafene unita al suo potere conduttore può aumentare drasticamente le performance.
Utilizzando il grafene su strutture composte sarà possibile costruire panelli solari interamente in carbonio eliminando così i metalli e di conseguenza il problema del loro difficile smaltimento. Un altro utilizzo importante sarà nel campo delle batterie. E’ molto probabile che sarà proprio il grafene a rendere possibile la diffusione di massa delle auto elettriche, grazie a batterie che ne garantiranno elevata autonomia ed efficienza energetica.
Il grafene avrà un impatto fortissimo anche nella microelettronica, consentendo la costruzione di chip sempre più piccoli e potenti, e aumentando la potenza di batterie installate su pc e smartphone. Recentemente, per esempio, i ricercatori di Samsung hanno utilizzato un catodo di silicio rivestito di grafene cristallizzato che consente l’aumento della densità energetica delle comuni batterie. Negli esperimenti, hanno ottenuto batterie da 1,5 fino a 1,8 volte più dense di quelle di uso comune. Se lo smartphone ora dura circa 12 ore, grazie a questa tecnologia si dovrebbero raggiungere le 21 ore. Al momento però si tratta solo di un progetto di ricerca, e potrebbero volerci anni prima che Samsung lo traduca nei prodotti commerciali. Se dovesse andare tutto liscio, però, questa potrebbe essere un’importante innovazione da considerare in ogni situazione in cui l’aggiunta di una batteria più grande semplicemente non è un’opzione. Al momento, l’utilizzo commerciale del grafene si scontra con logiche economiche proibitive. La produzione del grafene al momento richiede risorse elevatissime. Ma prima o poi l’ostacolo sarà superato.
