La vera nanotecnologia si alzerà per favore?

La grande sala da ballo del Marriott di Boston era stata gremita da una folla di diverse migliaia di scienziati dei materiali, solo in piedi, desiderosi di ascoltare la conferenza plenaria serale di Richard Smalley su nuovi dispositivi e materiali dal carbonio. In seguito, in una sala riunioni quasi vuota dell'hotel, il chimico della Rice University sembra stanco e sfinito mentre risponde alle domande. Poi improvvisamente è rivitalizzato; si sporge in avanti e si concentra intensamente. La conversazione si è spostata su uno dei suoi argomenti preferiti: come la nanotecnologia aiuterà a salvare il mondo.

Ci sono circa 6 miliardi di persone sulla Terra, sottolinea Smalley in questa notte di novembre, e la ricerca volta a produrre materiali migliori, più economici e più efficienti sarà una chiave per nutrire e ospitare quella popolazione mentre vola verso un eventuale stato stazionario di 10 miliardi o più. Ma i limiti a quanto un materiale può essere forte, conduttivo e intricato sono fissati su scala nanometrica, dice. Il sogno, dice Smalley, è costruire con quel livello di finezza, per renderlo perfetto fino all'ultimo atomo. Questa capacità, sostiene, porterebbe batterie più piccole ed efficienti, materiali più resistenti ed elettronica notevolmente migliorata ed economica.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 1999

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Questi non sono i deliri dell'ultimo futurista alla moda. Smalley è uno dei chimici più rispettati del paese, premio Nobel per la chimica nel 1996 e direttore di un nuovo Nanoscale Science and Technology Center da 33 milioni di dollari a Rice. Né è solo. Un numero crescente di ricercatori condivide la convinzione di Smalley che il controllo della struttura dei materiali fino a pochi atomi o molecole avrà un impatto immenso su tutto, dall'informatica alla medicina. La capacità di manipolare la materia un atomo alla volta è stata per anni oggetto di fantascienza. Ma il recente sviluppo di strumenti ad alta tecnologia, in particolare sonde abbastanza sensibili sia per l'immagine che per il movimento di singoli atomi e molecole, ha iniziato a trasformare queste fantasie in realtà scientifica.

Durante lo scorso anno, due gruppi di ricercatori hanno fabbricato indipendentemente un transistor da una singola molecola di carbonio. Gli scienziati hanno costruito prototipi di dispositivi di memorizzazione delle informazioni con bit di dati di soli 50 nanometri di diametro. Altri ricercatori hanno recentemente realizzato una molecola che ruota, agendo come una nanoruota, così come un rudimentale abaco con singole molecole che fungono da perline scorrevoli.

Queste sono, certamente, novità di laboratorio. E, in verità, nessuno sa davvero cosa risulterà dalla scienza emergente. Per prima cosa, mentre gli scienziati possono faticosamente realizzare nanodispositivi uno alla volta in laboratorio, devono comunque trovare un modo rapido e commercialmente fattibile per realizzarne milioni. Mancano anche metodi affidabili per l'integrazione di componenti su scala nanometrica. Ma questi primi passi forniscono prove convincenti che è possibile costruire nanodispositivi funzionanti e hanno iniziato a generare una notevole speranza (insieme a una discreta quantità di clamore) che il sogno di Smalley di costruire nuovi materiali con precisione molecolare si avvererà.

Guerre del tappeto erboso

ciò che ha reso questo sogno a portata di mano è la nuova capacità dei ricercatori di immaginare e manipolare i singoli atomi. All'inizio degli anni '80, i fisici dell'IBM Research di Zurigo inventarono il microscopio a effetto tunnel (STM), che rese possibile per la prima volta catturare immagini dirette della materia su scala atomica. Questa è stata la scoperta che ha aperto il nanomondo. Basandosi sull'STM e su uno strumento strettamente correlato chiamato microscopio a forza atomica (AFM), gli scienziati possono ora spingere direttamente atomi e molecole intorno e spingerli in posizione.

Esistono due forme di manipolazione atomica. Uno prevede la manipolazione fisica per far scorrere gli atomi su una superficie metallica per formare strutture 2-D. L'altro approccio tenta di fabbricare strutture stabili con risoluzione atomica rompendo e formando legami chimici, utilizzando i forti campi elettrici generati dall'apparato STM stesso.

Queste sono ancora indagini di laboratorio esotiche. Ma per coloro che lavorano nei laboratori di ricerca aziendali e universitari, lo sviluppo di questi nuovi potenti strumenti significa che puoi impazzire nell'imaging e nella manipolazione di strutture fisiche completamente nuove, secondo Donald Eigler, fisico presso l'IBM Almaden Research Center di San Jose, Il gruppo della California Eigler, ad esempio, sta studiando il magnetismo di diversi atomi appollaiati su una superficie. Mentre il lavoro che utilizza STM potrebbe eventualmente portare a progressi nell'informatica e nell'archiviazione dei dati magnetici, Eigler non è guidato solo da applicazioni pratiche. Quello che mi emoziona di più, dice, è quando vedo un aspetto della natura che non è stato visto prima. Questo è nuovo terreno.

I confini di questo nuovo territorio vengono ancora tracciati in un dibattito a volte controverso. La maggior parte degli scienziati fisici riferisce che il nanospazio è un luogo misterioso che opera secondo le proprie regole. E anche ricercatori come Smalley, che credono che il lavoro finirà per ripagare in significativi benefici per la società, sottolineano che stanno appena iniziando a capire la fisica del molto piccolo e imparano a controllare il comportamento in questo regno.

Alcuni, tuttavia, sostengono di aver capito tutto. Per quasi due decenni, K. Eric Drexler, presidente del Foresight Institute di Palo Alto, in California, un gruppo senza scopo di lucro che mira a promuovere la nanotecnologia, ha descritto in dettaglio preciso come funzionerà la nanoproduzione e cambierà il mondo. Drexler immagina nanorobot autoreplicanti che spingono meccanicamente atomi e molecole insieme per costruire un'ampia gamma di materiali essenziali. Un numero enorme di questi nanorobot che lavorano insieme fornirebbe le esigenze di materiali del mondo quasi a costo zero, essenzialmente spazzando via la fame e ponendo fine all'inquinamento delle fabbriche convenzionali.

È una visione utopica che pochi ricercatori che fanno esperimenti su scala nanometrica hanno accettato. Ma, non sorprendentemente, ha un vasto fascino per molti altri. Questa nozione di nanotecnologia ha assunto una vita propria. E per un vasto pubblico di appassionati di tecnologia, così come per alcuni media, è diventata la versione più nota del sogno nanotecnologico.

Questo, secondo alcuni scienziati, è esattamente il problema. Le idee di Drexler potrebbero aver contribuito a creare entusiasmo iniziale per la nanotecnologia, ma dopo anni di ascolto di speculazioni grandiose su un nuovo e coraggioso nanomondo, i ricercatori affermano che è ora di lasciare che la scienza superi le fantasie. Non c'è stata alcuna verifica sperimentale per nessuna delle idee di Drexler, afferma Mark Reed, ricercatore di nanoelettronica e capo del dipartimento di ingegneria elettrica della Yale University. Ora stiamo iniziando a eseguire misurazioni e dimostrazioni reali su quella scala per ottenere una visione realistica di ciò che può essere fabbricato e di come funzionano le cose. È tempo che la vera nanotecnologia si alzi.

Alcuni sostengono che l'avvento della nanotecnologia pratica sia già arrivato. È un inizio modesto. Gli scienziati non stanno ancora costruendo dispositivi elettronici pratici da singoli atomi o molecole e non ci sono sicuramente nanorobot in giro. Ma Richard Siegel, uno scienziato dei materiali al Rensselaer Polytechnic Institute che ha diretto un rapporto sponsorizzato dalla National Science Foundation lo scorso anno sulle nanotecnologie, afferma che la sintesi controllata di materiali su scala nanometrica è già iniziata. Il rapporto ha anche concluso che è in corso una corsa mondiale per sfruttare i nanomateriali e costruire nanodispositivi, guidata da numerosi gruppi di ricerca universitari e grandi laboratori industriali come IBM Research, Motorola e la giapponese NEC Fundamental Research.

Per ora, questi materiali sono per lo più realizzati con metodi tradizionali di sintesi chimica, ma Siegel afferma che la disponibilità di strumenti per l'imaging atomico ha iniziato a consentire agli scienziati di realizzare nanostrutture selettive. Siegel indica, ad esempio, lo sviluppo di materiali nanocristallini utilizzati nei dispositivi a magnetoresistenza gigante (GMR) che negli ultimi anni hanno notevolmente accelerato il ritmo di miglioramento dell'archiviazione delle informazioni. La tecnologia GMR si basa su più strati di film sottili, alcuni spessi solo pochi atomi; la precisa stratificazione di questi film sottili a livello molecolare è responsabile dell'elevata sensibilità del dispositivo. Siegel sostiene che l'enorme impatto della nanotecnologia arriverà nella nanoelettronica. I nanocristalli utilizzati nella GMR, suggerisce, sono solo la punta di quell'iceberg.

Per coloro che realizzano dispositivi di dimensioni micrometriche (ora comuni nell'elettronica e nell'ottica avanzate), la collisione con la nanoscala si sta rapidamente avvicinando. Anche il campo in espansione dei MEM (macchine microelettromeccaniche), che sta sviluppando minuscole macchine per agire come qualsiasi cosa, dai microfoni ai razzi in miniatura, si sta scontrando con il nanomondo e produce regolarmente parti funzionanti di poche centinaia di nanometri.

Per i puristi, tuttavia, è necessario pensare in piccolo, molto più piccolo, prima di entrare nel vero nanomondo. Per questi chimici e fisici, è al di sotto di circa 50 nanometri che inizia il divertimento. In questa nuova arena, forze come la gravità che governano il mondo quotidiano perdono rapidamente i loro significati familiari. L'intuizione fisica fallisce miseramente nel nanomondo. Devi buttare via i tuoi preconcetti, dice Reed. Vedete tutti i tipi di effetti insoliti. Per prima cosa, gli elettroni possono andare in posti che, secondo la fisica classica, non possono essere. In alcuni casi, dice Reed, è come lanciare una pallina da tennis contro la porta di un garage e farla uscire dall'altra parte.

Questo è anche il punto in cui l'elettronica basata sul silicio di oggi inizia a fallire. Su scala nanometrica, i transistor convenzionali perdono elettroni come setacci e gli atomi droganti inseriti nel silicio per controllarne le proprietà si comportano come enormi e scomodi massi. Tuttavia, se la nanoscala pone forti ostacoli alle tecnologie elettroniche convenzionali, apre anche notevoli nuove possibilità che potrebbero lasciare l'elettronica di oggi simile al Modello T.
Se i dispositivi elettronici potessero essere ridotti alle dimensioni delle singole molecole, il gioco sarebbe completamente alterato. L'elettronica molecolare è stata proposta negli anni '70 da Mark Ratner, che ora è alla Northwestern University, e Ari Aviram di IBM. Per anni è rimasta un'idea allettante ben oltre le capacità degli sperimentalisti. Ma negli ultimi due anni, i ricercatori all'avanguardia hanno iniziato a realizzare fili e componenti reali con singole molecole. E ora hanno iniziato a realizzare dispositivi grezzi che funzionano davvero.

A Yale, Reed e i suoi collaboratori hanno, per esempio, realizzato un diodo con diverse singole molecole organiche. Il semplice diodo, lungo diversi nanometri, è lungi dall'essere un dispositivo pratico, afferma Reed. Ma, aggiunge, è un primo, incoraggiante passo verso la realizzazione di transistor e dispositivi logici su quella scala.

Nanonoodles

una chiave per i progressi dell'elettronica molecolare potrebbe essere una molecola esotica chiamata nanotubo di carbonio. Questa straordinaria struttura di carbonio, scoperta dai ricercatori del NEC giapponese nel 1991, è una stretta cugina chimica del buckyball, una nuova forma di carbonio scoperta da Smalley nel 1985. Ma mentre il buckyball è una molecola a forma di pallone da calcio di 60 atomi di carbonio, i nanotubi sono lunghi tubi di un foglio arrotolato di grafite. Sono elettricamente conduttivi e sono stati trasformati in fili di soli pochi nanometri di diametro.

I nanotubi sono, sia letteralmente che metaforicamente, un tunnel tra il mondo nano e quello macroscopico. Queste strutture rendono possibile una lunga fibra larga solo pochi atomi. A livello pratico, afferma Smalley, le batterie potrebbero utilizzare i nanotubi sia per trasportare gli elettroni tra gli atomi sia per trasportare una carica a pochi centimetri. La loro grande virtù è che sono molecolari, dice Smalley. Ogni nanotubo, dice, è un'entità che ha il suo comportamento e la sua integrità. Ciò significa che puoi spingere le singole molecole di carbonio in giro, come minuscoli nanolog.

In realtà, un nanotubo si comporta un po' più come spaghetti cotti, dice Phaedon Avouris, manager del gruppo scientifico e tecnologico su scala nanometrica di IBM Research a Yorktown Heights, NY Ogni nanotubo si attaccherà a una superficie e questa adesione è abbastanza forte da mantenere qualsiasi forma tu spingerlo dentro. L'adesione fornisce anche un buon contatto elettrico tra il nanotubo e gli elettrodi metallici.

Più di recente, Avouris e i suoi colleghi hanno manovrato uno di questi nanonoodles per collegare un paio di elettrodi e hanno stimolato le molecole in anelli e lettere. Gli scienziati IBM hanno anche realizzato un transistor ad effetto di campo funzionale, un dispositivo elettronico di base, a temperatura ambiente da un singolo nanotubo.

Il successo dello sviluppo dell'elettronica molecolare significherebbe che un singolo chip potrebbe contenere miliardi di transistor su nanoscala, rendendo un computer di ordini di grandezza più potente delle macchine odierne. Potrebbe anche significare costruire computer minuscoli ed economici che ospitano milioni di nano-transistor; computer così grandi come un granello di sale potrebbero essere facilmente ed economicamente incorporati in decine di altri prodotti, anche in materiali intelligenti.

La nanotecnologia potrebbe anche rendere possibili dispositivi di memorizzazione delle informazioni con una capacità immensa. Gli investigatori dell'IBM Research di Zurigo, guidati dai fisici Gerd Binnig e Peter Vettiger, stanno costruendo un prototipo micromeccanico che utilizza minuscole punte di silicio per leggere e scrivere bit di dati larghi meno di 50 nanometri. Ciò si tradurrebbe in dischi rigidi con capacità di archiviazione di quasi un trilione di byte (terabyte), un paio di ordini di grandezza più grandi dei dischi rigidi dei PC di fascia alta di oggi. Potrebbe anche significare piccoli prodotti, delle dimensioni di un orologio da polso, ad esempio, che hanno un'immensa capacità di archiviazione.

Nei loro esperimenti, Binnig e i suoi collaboratori utilizzano la punta AFM per leggere nanobit di informazioni su una superficie polimerica. Usare un solo suggerimento, tuttavia, significherebbe un processo troppo lento per essere pratico. Binnig ha quindi cablato array di oltre 1.000 punte AFM che agiscono in parallelo. Gli array possono scrivere rapidamente informazioni perforando minuscoli puntini nel substrato e leggere i nanobit rilevando le depressioni.
Nel frattempo, i colleghi di Binnig all'IBM di Zurigo hanno utilizzato l'STM per produrre nanooggetti ancora più piccoli con una precisione da orologio. James Gimzewski, un chimico IBM, ha costruito un abaco squisitamente piccolo. Gimzewski ha usato la punta STM come dito per spostare le perline dell'abaco, che sono buckyball con diametri inferiori a 1 nanometro.

L'ultima invenzione di Gimzewski è una ruota costruita da una molecola a forma di elica che gira su una minuscola struttura simile a un cuscinetto. Gimzewski afferma che mentre la molecola rotante suggerisce possibili future nanomacchine, la ricerca rimane embrionale. A questo punto, dice, se riesci a far funzionare qualcosa nel nanomondo, non ti preoccupi della sua praticità. Stiamo appena iniziando. È come se i bambini giocassero con i Lego.
Il lavoro di Zurigo riflette una fede profondamente radicata e fortemente svizzera nella meccanica. Il fisico Binnig afferma: La meccanica è stata trascurata perché l'elettronica ha così tanto successo. È considerato antiquato. Il suo dispositivo per l'archiviazione delle informazioni, tuttavia, funziona più o meno come un minuscolo ago di un fonografo.

Mentre esplori il nanomondo, dice, i dispositivi meccanici diventano un'alternativa interessante all'elettronica.
Binnig afferma che l'approccio meccanico può essere esteso ben oltre l'archiviazione dei dati e che tutto ciò che puoi fare elettronicamente, puoi farlo meccanicamente. L'elettronica è particolarmente brava a guidare l'energia lungo percorsi precisi verso un luogo ben definito. Ma, dice, la nanomeccanica ha il vantaggio di lavorare con un consumo energetico molto basso. Mentre un dispositivo nanoelettronico 3-D si scioglierebbe immediatamente dal suo stesso calore, dice Binnig, potresti immaginare un dispositivo nanomeccanico 3-D che funzionerebbe a freddo. Inoltre, i dispositivi meccanici possono rivelarsi più facili dell'elettronica da integrare con sistemi biologici, ottici e chimici.

Entra nell'hype

è da qualche parte da queste parti che la scienza inizia a confondersi con la fantascienza. Se riesci a creare una nanoruota, perché non un nanoingranaggio? Una nanobarca autoalimentata? Perché non costruire un nanorobot per muovere gli atomi per te?

E già che ci sei, perché non creare nanorobot in grado di replicarsi, rendendo possibile il personale di nanofabbriche in grado di mettere insieme quasi tutto dai mattoni di base degli atomi? Benvenuti nella produzione molecolare, come predicato dal nanoevangelista Drexler. Al centro della visione drexleriana c'è un aggeggio chiamato assemblatore. Questo apparato robotico ipotizzato funzionerebbe posizionando meccanicamente gli atomi praticamente in qualsiasi configurazione. Se la chimica tra gli atomi non regge, l'assemblatore applicherebbe una piccola forza meccanica (Drexler e i suoi seguaci la chiamano meccanochimica). Fai in modo che miliardi di questi assemblatori lavorino in parallelo per organizzare tutti gli atomi nel modo giusto, quindi puoi costruire qualsiasi cosa tu possa immaginare.

C'è solo un problema: pochi chimici, fisici o scienziati dei materiali vedono alcuna prova che ciò sarà possibile. Molti credenti nella visione drexleriana sono scienziati informatici che si divertono a simulare come funzionerà il tutto. Producono eleganti modelli molecolari di nanoingranaggi e pompe, ma non offrono un piano chiaro su come costruire effettivamente tali cose.

I fautori della produzione molecolare non sono scoraggiati dallo scetticismo dei loro colleghi più tradizionali, sebbene ammettano che la loro visione impiegherà decenni per essere realizzata. Calcoli teorici e modelli al computer dicono che si può fare, insiste Ralph Merkle, informatico presso lo Xerox Palo Alto Research Center e direttore, con Drexler, del Foresight Institute. In particolare, Merkle difende le due proposte chiave che hanno attirato più attenzione da altri scienziati: il suggerimento di assemblatori autoreplicanti e il controllo posizionale di atomi e molecole per fare meccanochimica.

Nell'auto-replicazione, un computer molecolare dirigerebbe la costruzione di un braccio nanorobotico per costruire un altro computer; questo secondo computer dirige poi la costruzione di un altro piccolo computer, e così via. L'autoreplicazione è un concetto che è stato diffuso nell'informatica per anni, afferma Merkle, e logicamente dovrebbe funzionare. L'idea del controllo posizionale richiede che i bracci robotici mettano precisamente atomi e molecole in un modo che si leghino, formando quello che vuoi. Finché non si violano le leggi fisiche, dice Merkle, questo approccio meccanico alla chimica ha senso.

Ma i critici di Drexler sottolineano che la chimica è un processo molto complesso a livello molecolare. Giocare al gioco della chimica, dice Smalley, significa controllare gli atomi in tre dimensioni. In ogni sito di reazione, gli atomi risentono dell'influenza di una dozzina di atomi vicini; per fare meccanochimica, avresti bisogno di controllare il movimento di ciascuno. Per un nanorobot, sarebbe un atto di giocoleria inconcepibilmente complicato. Altri ricercatori molto rispettati semplicemente respingono le idee di Drexler. Dice Eigler di IBM: Non ha avuto alcuna influenza su ciò che accade nella nanoscienza. Sulla base di quel poco che ho visto, le idee di Drexler sono nozioni nanofantastiche che non sono molto significative.

Linea di assemblaggio

in ogni caso, prima che i ricercatori si preoccupino di costruire nanofabbriche, devono trovare un modo pratico per produrre in serie qualsiasi dispositivo su scala nanometrica. Alcuni sperano di far funzionare varie forme esotiche di litografia (la litografia ottica è la tecnologia standard utilizzata per incidere i modelli sui chip di silicio) al di sotto dei 100 nanometri. Ma nessuno sa quanto piccoli e veloci possano diventare i metodi litografici (vedi Chips Go Nano, p. 55). Allo stesso modo, spingere le molecole una alla volta usando un STM è un modo estremamente lento e difficile per fare qualsiasi cosa. Inoltre, una volta che hai finito, hai ancora solo un oggetto molto piccolo. Secondo una stima, costruire un singolo chip per computer un atomo alla volta utilizzando l'odierna tecnologia STM richiederebbe 1.000 anni.

Una soluzione è collegare le punte STM o AFM in un array che funziona in parallelo, una catena di montaggio nanomeccanica che potrebbe interessare a Henry Ford. Questa è la strategia che Binnig di IBM sta adottando nel suo dispositivo di archiviazione delle informazioni. E mentre cablare questi piccoli array e trasformarli in un dispositivo funzionante è un lavoro ingrato, la ricerca preliminare presso IBM Zurich e molti altri laboratori suggerisce che potrebbe funzionare.

Ma molti credono che la risposta a lungo termine risieda in un processo chiamato autoassemblaggio. A differenza del piano di costruzione Drexleriano che utilizza nanorobot autoreplicanti per spostare gli atomi, l'autoassemblaggio si basa sulla chimica per posizionare i pezzi di una struttura su nanoscala, sfruttando la capacità di alcune molecole di organizzarsi in strutture complesse. In termini chimici, l'autoassemblaggio funziona perché le molecole cercano il minimo termodinamico della struttura che si desidera. Pensala come una casa prefabbricata che si costruisce da sola usando la chimica.

Ma finora, i chimici e gli scienziati dei materiali hanno imparato a costruire solo le strutture più semplici. L'impresa di assemblare caratteristiche specifiche nei materiali e combinare materiali diversi rimane una sfida ardua.

La soluzione a questo problema potrebbe determinare quali nanodispositivi sono pratici e quanto tempo impiegano per arrivare sul mercato. Per la maggior parte delle applicazioni avresti bisogno di fabbricare e integrare miliardi di nanooggetti. E per competere in aree come la tecnologia dell'informazione, dovrai farlo in modo molto economico. Questo, dicono molti scienziati, richiederà l'abilità di sintesi della chimica. Non aspettarti che nessuno arrivi al punto in cui aggiungi gli ingredienti in un becher e fuoriesce un circuito integrato, dice Reed di Yale. Tuttavia, la speranza è che l'autoassemblaggio possa alla fine posizionare i dispositivi nanoelettronici dove li desideri, dice Reed.
Ci vorrà tempo. Ma ci sono segnali incoraggianti che questo approccio funzionerà. L'autoassemblaggio è, in un certo senso, il luogo in cui la chimica e la scienza dei materiali, le arti di costruire oggetti reali, incontrano la fisica della nanoscala. La fisica ha fornito agli scienziati i mezzi per manipolare i nanooggetti e comprendere il funzionamento del nanomondo, e ora i ricercatori stanno guardando alla chimica e alla scienza dei materiali per i prossimi progressi che aiuteranno a trasformare tutto questo lavoro in una tecnologia pratica.

Nessuno sa davvero da dove verranno queste scoperte, o anche se arriveranno. Ma, man mano che la scienza del nanomondo cresce, la forma delle reali possibilità iniziano a emergere dalla nanonebbia.

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