Fili di Meraviglia

Era il tipo di scoperta che accade in chimica solo una volta ogni pochi decenni, se sei molto fortunato. Nel 1985, Richard E. Smalley e diversi collaboratori della Rice University realizzarono una forma di carbonio mai vista prima. La disposizione degli atomi di carbonio in ogni molecola assomigliava a una minuscola cupola geodetica, quindi i ricercatori hanno chiamato il materiale buckminsterfullerene in onore dell'architetto che aveva reso popolare la forma. Con la sua rete di atomi ben strutturata, il buckyball è diventato rapidamente la molecola poster per la nanotecnologia. Poi, all'inizio degli anni '90, i ricercatori hanno fatto un'altra scoperta sorprendente: potresti anche realizzare tubi cavi con la stessa struttura di carbonio. I nanotubi di carbonio avevano molte volte la forza dell'acciaio, la conduttività elettrica del rame e il diametro di una molecola di DNA. Erano, in breve, materiali perfetti per costruire e cablare il mondo nano.

Più di un decennio dopo la sua scoperta iniziale, l'entusiasmo di Smalley per i nuovi materiali non accenna a diminuire. L'anno scorso ha co-fondato una società, Carbon Nanotechnologies, per produrre le quantità commerciali di nanotubi che consentiranno ad altri laboratori di far progredire la tecnologia e di sviluppare applicazioni. Ma la sua continua eccitazione per i fullereni (come è nota la categoria generale di queste molecole a base di carbonio) va ben oltre l'anticipazione dei futuri usi tecnologici. Formatosi come spettroscopista, Smalley, professore di chimica alla Rice dal 1976, è affascinato dalle molecole stesse. Nell'accettare il Premio Nobel 1996 per la chimica per la ricerca sui fullereni, Smalley ha definito la scoperta una delle esperienze più spirituali che nessuno di noi nel team originale di [ricercatori] abbia mai sperimentato.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2001

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Il $ 33 milioni Center for Nanoscale Science and Technology, che Smalley ha fondato nel 1995 e ora dirige, si trova ai margini del campus Rice a Houston come testimonianza del potenziale dei fullereni. Il numero di gruppi di ricerca presso il centro nanotecnologico sta crescendo così rapidamente che il laboratorio di Smalley si è trasferito accanto al terzo piano dello Space Science Center di Rice. Il vicedirettore di Technology Review, David Rotman, ha recentemente visitato Smalley per chiedere informazioni sul futuro della nanotecnologia e sapere perché il vincitore del premio Nobel pensa che i nanotubi siano così speciali.

TR: In che modo la maggiore attenzione e i finanziamenti, come l'iniziativa nanotecnologica da 495 milioni di dollari del presidente Clinton per il 2001, hanno influito sul campo delle nanotecnologie?

PICCOLO: Il fatto che il presidente ne parli ha incoraggiato scienziati e tecnologi a iniziare a inserire il nano nelle loro proposte. Sanno qual è la nuova parola d'ordine. Ma più impressionante per me è stato il modo in cui questa idea ha preso piede tra coloro là fuori che fanno scienza. E non ho la sensazione che sia una postura artificiale. Le discipline fondamentali della chimica e della fisica si sono avvicinate a questa idea. Parte di ciò è stata una risposta al finanziamento. Ma penso che ci sia davvero un apprezzamento generale che ci sia davvero qualcosa qui. La chimica e la fisica sono ora avanzate al punto che puoi pensare, e in alcuni casi effettivamente costruire e fare esperimenti su, [nano] strutture di complessità sufficiente che accada qualcosa di nuovo.

TR: C'è il pericolo che, come molte altre parole d'ordine, la nanotecnologia cominci a perdere il suo vero significato?

PICCOLO: Mi piace la parola nanotecnologia. Mi piace perché il prefisso nano garantisce che sarà scienza fondamentale per decenni; la tecnologia dice che è ingegneria, qualcosa in cui sei coinvolto non solo perché sei interessato a come funziona la natura, ma perché produrrà qualcosa che ha un ampio impatto. Quando metti insieme queste due cose in una parola, c'è tensione. Poiché le nostre discipline, in particolare la chimica e la fisica, sono maturate, ora abbiamo a che fare con cose a un livello molto fondamentale che hanno un'importanza pratica.

TR: Quando guardi ai diversi lavori in corso nella nanotecnologia, cosa ti entusiasma di più?

PICCOLO: Devo ammettere che sono solo ossessionato dai nanotubi di carbonio. È difficile per me passare più di 10 minuti senza parlarne. Penso che siano la cosa più bella là fuori e penso che avranno il maggior impatto probabile. Ma se mi allontano per un momento da questo, credo che la ricerca su quella che chiamo l'interfaccia bagnato/asciutto sia intellettualmente più intrigante per me. Potrebbe essere che tra 20 anni da oggi è lì che guarderemo indietro e diremo che abbiamo fatto enormi progressi. Quello che chiamo il lato umido della nanotecnologia è il meccanismo della vita cellulare. Man mano che impareremo a interfacciare questo macchinario naturale con strutture e sistemi inorganici ed elettromeccanici ingegnerizzati su scala nanometrica (il lato secco della nanotecnologia), si apriranno vaste nuove frontiere sia nella scienza fondamentale che nella tecnologia pratica.

Detto questo, posso tornare indietro e dire che i nanotubi saranno estremamente importanti per l'interfaccia wet/dry perché portano qualcosa di nuovo al gioco. Le molecole organiche [molecole contenenti carbonio che sono alla base degli esseri viventi] sono magnificamente versatili, ma ci sono alcune cose che non possono fare bene. In effetti ci sono alcune cose che i sistemi biologici non sono ancora stati in grado di capire, anche dopo oltre quattro miliardi di anni. Una cosa è condurre l'elettricità come fanno i metalli. Altri sono la conduzione termica, la forza e la tenacità. Le ossa sono molto impressionanti, così come i denti. Ma non sono acciaio, figuriamoci quello che i nanotubi possono fare con forza e conduttività. Quindi, essere in grado di prendere un nanotubo di carbonio e portarlo nel regno della biologia molecolare, che sia effettivamente dissolto ed è uno dei giocatori, o come una sonda, o come parte di un impianto, come parte di una nuova membrana, è davvero portando qualcosa di nuovo sul tavolo della biologia. Quasi una cosa aliena.

TR: Una cosa aliena perché...

PICCOLO: Perché conduce elettricità. Porta quelle proprietà che non puoi ottenere da altre molecole organiche. Ed è ancora carbonio, quindi ha chimica organica. Ecco un oggetto che ha, in misura superlativa, gli aspetti che riteniamo più centrali nel mondo inorganico: durezza, tenacità, forza eccezionale, conduttività termica ed elettrica. Cose che non puoi fare con ossa e legno. Ma è fatto di carbonio. È qualcosa che gioca allo stesso livello di perfezione delle molecole e della vita.

C'è elettricità nei sistemi biologici, ma è dovuta agli ioni che si muovono attraverso le membrane. I nervi funzionano per conduzione elettrica; le anguille elettriche hanno certamente l'elettricità. Ma quel tipo di elettricità è diverso da quello che scorre nei cavi e nelle case, gira intorno ai computer, fa funzionare le radio. Non è il tipo di elettricità che ha a che fare con gli elettroni che si muovono in modo coerente su lunghe distanze con poche perdite. Questa è la proprietà dei metalli, dei composti inorganici.

TR: E ora i nanotubi potrebbero portare questo tipo di elettricità ai sistemi biologici?

PICCOLO: Sì. Portano alla biologia molecolare, alle cose che urtano di notte all'interno di una cellula, un nuovo giocattolo con cui giocare, qualcosa che conduce elettricità.

TR: Quali saranno i nuovi giocattoli?

PICCOLO: Resta sintonizzato per il prossimo millennio e vedremo. Potrei fare alcuni esempi, ma sembrerebbero piuttosto banali e ad hoc. Fino a quando non aggiungi qualcosa del genere al mix, non c'è modo che l'incredibile meccanismo delle cellule viventi possa costruire qualcosa che possa condurre elettricità con l'efficienza dei metalli. Qui abbiamo una molecola [organica] che può farlo. Non credo che nessuno sia abbastanza brillante da prevedere le vaste implicazioni di ciò. Ma Dio sa quanti anni passeranno prima che i nanotubi facciano parte delle cellule viventi. Prima di allora, possiamo usare i nanotubi come sonde nelle cellule, come sonde per rilevare la struttura delle molecole, per sequenziare il DNA. Questi sono meravigliosi nuovi cavi per farlo.

TR: A quali progetti state lavorando tu e il tuo gruppo ora?

PICCOLO: L'obiettivo principale è creare nanotubi. Questo è ciò di cui si occupa inizialmente questa azienda, aprire il rubinetto in modo che i ricercatori di tutto il mondo abbiano accesso ai tubi di qualità più incontaminata che possiamo realizzare in grandi quantità a basso costo. Vogliamo rendere disponibili i nanotubi a un costo abbastanza contenuto da far volare la tua immaginazione. Questi tubi sono di tre tipi: metalli [ottimi conduttori elettrici] e due tipi di semiconduttori. Voglio produrli con un'efficienza sufficientemente elevata da poter fornire un chilogrammo di un particolare tubo.

BAMBINI : Quindi stai cercando di rendere i nanotubi più ampiamente disponibili. Altri gruppi stanno esaminando i nanotubi strettamente dal punto di vista delle applicazioni. Quali sono alcune delle applicazioni interessanti su cui stanno lavorando?

PICCOLO: In breve, sembra che un'applicazione sarà in display [flat-panel]. Diverse aziende hanno già prototipi di display che utilizzano nanotubi. Non sarò sorpreso se vedrai display che utilizzano nanotubi sul mercato entro pochi anni.

Un'altra area che sarà rapida è quella degli additivi nei tecnopolimeri [utilizzati in applicazioni strutturali o high-tech come l'alloggiamento dei computer]. È possibile dare origine a comportamenti antistatici anche a livelli molto, molto bassi di nanotubi e schermature per EMI [interferenza elettromagnetica: tale schermatura viene utilizzata per proteggere laptop e altri dispositivi elettronici portatili] a livelli molto moderati. A differenza di qualsiasi altra cosa che si aggiunge ai polimeri per renderli antistatici o per la schermatura EMI, questo probabilmente aumenterà la tenacità e la resistenza dei tecnopolimeri. Inoltre, mi aspetto che entro pochi anni troverai punte di nanotubi disponibili in commercio su sonde per microscopio a forza atomica. L'uso in gadget nanotecnologici in generale mi aspetto che fiorirà davvero nei prossimi cinque anni circa.

Quello che vorremmo vedere è che l'azienda si sviluppa in modo che ci siano incentivi economici per costruire un grande processo [di produzione] e abbassare il prezzo. In questo momento, il costo dei nanotubi è di circa 500 dollari al grammo. Calcola i numeri. Sono quasi $ 230.000 al chilo. Col tempo questa roba sarà prodotta come merce all'ingrosso più vicina a $ 10 la libbra o anche al di sotto di quella. Ma dovrai costruire un impianto e il mercato deve essere là fuori. La velocità con cui l'attività si sviluppa dipende fortemente da questi primi mercati.

TR: La speranza è che man mano che ottieni materiale migliore e più disponibile, le applicazioni si aprano?

PICCOLO: Giusto. E questo prossimo anno sarà un vero spartiacque perché il nostro processo immetterà nella comunità di ricerca un minimo di 10 chilogrammi. La produzione totale di nanotubi a parete singola di qualsiasi qualità fino a questo momento è stata probabilmente inferiore a un chilogrammo.

TR: Naturalmente, nessuna di queste applicazioni a breve termine soddisfa davvero l'enorme promessa dei nanotubi, vero? Come agire come conduttore elettrico in un ambiente biologico?

PICCOLO: E quello di cui parlavo prima riguardava solo l'interfaccia bagnato/asciutto. Poi torni al lato asciutto. C'è una frangia folle del mondo dei nanotubi di cui non abbiamo ancora parlato. Nel corso del prossimo anno ci sarà nel mio laboratorio, e sospetto in molti in tutto il mondo, una grande spinta allo sviluppo di mezzi per filare fibre continue - fibre macroscopiche - di nanotubi con un alto grado di orientamento [i nanotubi sarebbero allineati come se fossero crudi spaghetti in scatola]. Penso che avrà successo e sarà qualcosa di speciale.

In una direzione i nanotubi sono la dannata cosa più forte che potrai mai realizzare nell'universo e sono eccellenti conduttori elettrici; nell'altra direzione [perpendicolare], sono flosci e la conduttività elettrica è piuttosto scarsa. Quindi, nei materiali in cui vuoi la conduzione elettrica, ti interessa quanto bene i nanotubi sono allineati. Credo che sarà possibile realizzare fibre continue di nanotubi in un processo di filatura efficiente che avrà i tubi tutti allineati. Non la chiamerei la frangia lunatica; Penso che accadrà. Ma ora parliamo dell'estremo davvero folle. E se queste fibre filate fossero lunghe, invece di un micrometro, un chilometro?

TR: In teoria si potrebbero realizzare fibre di nanotubi lunghe un chilometro?

PICCOLO: In teoria puoi farli ad Alpha Centauri. Quale sarebbe la forza di una fibra lunga? Avresti la dannata cosa più forte mai realizzata nell'universo. Possiamo mai farlo? E a che servirebbe? Se potessi farlo a buon mercato e con una lunghezza continua, potresti realizzare il ponte sospeso più lungo di cui tu abbia mai sentito parlare, ascensori nello spazio. Ma i buckycables sarebbero anche ottimi conduttori di elettricità. È il sostituto logico di tutti i cavi di trasmissione di potenza nel mondo. Questo è ai margini dei folli, ma posso dirlo perché ne sono un sostenitore.

TR: Come sapete, c'è stato uno sforzo crescente per utilizzare le molecole organiche come minuscoli interruttori nei dispositivi nanoelettronici ( vedere Calcolo Molecolare , TR maggio/giugno 2000 ). Quale ruolo vi aspettate che i nanotubi giocheranno nell'elettronica molecolare?

PICCOLO: A lungo termine, sembra che debbano capire perché sono nano e conducono elettricità. Indipendentemente dal fatto che entreranno o meno nei gadget nanoelettronici nel prossimo decennio, non credo che nessuno sia abbastanza intelligente da saperlo. In effetti, nessuno è abbastanza intelligente da sapere se ci saranno gadget nanoelettronici nel prossimo decennio. Ma la maggior parte delle persone concorda sul fatto che se dovessi scegliere il conduttore elettrico nella nanoelettronica, alla fine sarebbe un nanotubo. Non ci resta che rimanere sintonizzati per vedere quanto velocemente accadrà.

TR: Per ora, anche qualcosa di semplice come mettere un nanotubo dove vuoi è ancora una sfida, non è vero?

PICCOLO: Siamo davvero bambini, nemmeno bambini, neonati, nel capire come funzionano i nanotubi.

TR: Tuttavia, stavo pensando a quanto velocemente si è spostato il campo delle nanotecnologie. Quando ti ho intervistato qualche anno fa, abbiamo parlato molto del clamore che circonda la nanotecnologia. Ora, con il coinvolgimento di scienziati sempre più seri, sembra essere andato oltre.

PICCOLO: Questo è stato il fattore chiave, il coinvolgimento di scienziati seri che sono molto lontani dai nanobot [i robot su nanoscala figurano in molte visioni speculative della nanotecnologia]. Non abbiamo ancora completato il compito di de-nanobotting sul campo. Ma il punto principale è che la nanotecnologia è così importante che non vogliamo che sia associata solo ai nanobot. Se possano mai accadere o meno è un altro problema, ma c'è una realtà molto più ampia nella nanotecnologia, e in molti modi molto più interessante.

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