Nanotecnologie in cifre

Nel suo angusto cubicolo a Nanomix, un'azienda di nanotecnologie a Emeryville, in California, proprio di fronte alla baia di San Francisco, il fisico teorico Seung-Hoon Jhi osserva un modello al computer di un serbatoio di idrogeno, monitorando attentamente il movimento delle singole molecole. Mentre aumenta la temperatura di un foglio simulato di atomi di boro e azoto da un gelido 50 Kelvin a un leggermente meno freddo di 80 Kelvin, osserva la reazione di una manciata di molecole di idrogeno che ne punteggiano la superficie. Il foglio di nitruro di boro ondeggia, ma le molecole di idrogeno resistono. È un segnale incoraggiante in un esperimento virtuale che potrebbe aver appena risparmiato settimane o mesi di scrupolosi test sperimentali nello sforzo di Nanomix di sviluppare materiali di stoccaggio dell'idrogeno più efficienti per le auto a celle a combustibile.

È un cyber-sogno, ovviamente. Ma Jhi e i suoi colleghi Nanomix sono così sicuri della veridicità di questa modellazione computerizzata, messa insieme da calcoli precisi del comportamento dei singoli atomi, che stanno usando le simulazioni per progettare e testare materiali che non sono mai stati realizzati prima, materiali il cui ordine su scala nanometrica (un nanometro è un miliardesimo di metro) può produrre proprietà utili in applicazioni che vanno dai sensori ultrasensibili ai display a schermo piatto ai rivestimenti furtivi per gli aerei da guerra. In fondo al corridoio, a meno di 15 metri dal cubicolo di Jhi, gli sperimentatori dell'azienda sono impegnati a lavorare in laboratorio per sintetizzare i risultati più promettenti della modellazione.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2002

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Mentre Nanomix è solo una delle numerose startup recenti che sperano di sfruttare i nanomateriali, l'azienda scommette che ha un vantaggio: l'abilità di progettare virtualmente i materiali, senza nemmeno mescolare un bicchiere, e poi andare in laboratorio e realizzarli . I suoi cofondatori, il fisico teorico Marvin Cohen e il fisico sperimentale Alex Zettl, entrambi dell'Università della California, Berkeley, collaborano a tale alchimia da oltre un decennio. Ora sperano di sfruttare tale esperienza come base per un'attività nel settore delle nanotecnologie. Il nostro obiettivo è avere i primi nano componenti funzionanti sul mercato, afferma Charles Janac, CEO di Nanomix.

La progettazione di materiali su computer ha allettato i ricercatori industriali per più di un decennio. Almeno in teoria, l'idea è abbastanza semplice: utilizzando le regole della meccanica quantistica è possibile calcolare il comportamento degli elettroni che vorticano attorno a un atomo. Data una potenza di calcolo sufficiente, si dovrebbe essere in grado di utilizzare tali calcoli per progettare un materiale atomo per atomo, costruendo proprietà desiderabili regolando il profilo elettronico. Il problema è che le proprietà dei materiali derivano dalle interazioni di un numero enorme di atomi. E anche i supercomputer più potenti di oggi lottano con calcoli quantistici che coinvolgono più di cinque o seicento atomi, limitando gravemente la capacità di progettare nuovi materiali.

Ma i nanomateriali, che sono spesso molecole isolate, o molecole le cui proprietà derivano da interazioni limitate, sono un bersaglio molto più facile per i computer. In effetti, per molti versi, la modellazione quantistica si sta rivelando un modo ideale per esplorare il mondo nano. Il potere predittivo della nano modellazione, afferma James Tour, chimico e ricercatore leader nel settore delle nanotecnologie presso la Rice University di Houston, si sta rivelando enorme.

Nanomix crede che sia proprio questo potere predittivo che gli permetterà di rivoluzionare la scoperta dei nanomateriali. Grazie a un vantaggio ottenuto dalle simulazioni al computer, l'azienda, fondata nel 2000, sta già progettando minuscoli sensori di gas che utilizzano nanotubi di carbonio, molecole larghe pochi nanometri, con pareti spesse un atomo per rilevare gas pericolosi. Entro la fine del prossimo anno, Nanomix prevede di iniziare a vendere questi sensori basati su nanotubi per rilevare raffinerie, impianti chimici e stazioni di gasdotti che proteggono i vapori di benzina dalle perdite. Ogni sensore dovrebbe costare 10 volte meno di un rilevatore di perdite convenzionale e funzionare per un anno con la batteria di un orologio. Collegati a trasmettitori wireless non più grandi di un francobollo, potrebbero essere sparsi a decine di migliaia, ricoprendo un impianto industriale o schiacciati in valvole soggette a perdite per stanare i sigilli difettosi, cosa non possibile con sensori convenzionali molto più grandi e costosi.

Allo stesso tempo, Nanomix sta elaborando progetti per nuovi nanomateriali per materiali di stoccaggio del combustibile a idrogeno con una capacità ancora maggiore di immagazzinare idrogeno rispetto ai fogli di nitruro di boro sullo schermo di Jhi. Se questi materiali diventano realtà, potrebbero aumentare notevolmente le prestazioni delle auto a celle a combustibile, rendendo finalmente commercialmente pratiche le automobili alimentate a idrogeno. L'azienda ha anche iniziato a riflettere su come nuovi nanomateriali come i nanotubi potrebbero essere utilizzati in piccoli dispositivi informatici.

I nanomateriali per celle a combustibile e nanocomputer probabilmente impiegheranno anni per svilupparsi. Ma Nanomix crede che il suo piano per iniziare a vendere sensori e altre prime applicazioni della nanotecnologia lo renderà un'attività redditizia molto prima di allora. La gente continua a dire che la nanotecnologia è una lunga via d'uscita, ed è nel senso che è una tendenza a lungo termine che avrà un enorme impatto sull'economia mondiale. Ma alcune delle prime applicazioni sono a soli 18 mesi di distanza, prevede Janac.

Percepire il successo

Inventare un nuovo materiale, ad esempio un nuovo polimero o una lega metallica, non è mai stato facile e spesso è più un caso di serendipità che di progettazione teorica. Anche nelle principali strutture industriali come il laboratorio di ricerca centrale di DuPont, che ha inventato molti dei più importanti polimeri e materiali high-tech odierni, il processo è spesso un'impresa incostante governata più dall'istinto degli sperimentali che dalle previsioni calcolate di teorici. Alla nanoscala, tuttavia, gli istinti dei ricercatori spesso iniziano a fallire, poiché le strane regole del mondo quantistico prendono il sopravvento. Stiamo entrando in aree in cui la nostra intuizione, che spesso si basa sulle nostre precedenti esperienze, è davvero piuttosto carente, afferma Ed Wasserman, consulente scientifico per la ricerca e sviluppo centrale di DuPont.

È, tuttavia, un luogo in cui i fisici quantistici teorici si sentono a casa propria, un regno in cui possono giocare a fare il dio, creando nuovi materiali semplicemente mescolando gli atomi. Uno di questi dei è il cofondatore di Nanomix Cohen, un pioniere nella modellazione quantistica. Negli anni '60, Cohen ebbe l'intuizione che, poiché sono solo gli elettroni più esterni di un atomo che interagiscono per conferire a un materiale le sue proprietà, è possibile semplificare notevolmente i calcoli necessari per le simulazioni trattando solo quegli elettroni. Questa scorciatoia matematica ha rivoluzionato la modellazione quantomeccanica. Se fai un calcolo interamente elettronico, è quasi come cercare di trovare il peso del capitano di una nave pesando la nave e poi pesando il capitano con la nave, spiega il fisico di Berkeley Steven Louie, un consulente di Nanomix. In sostanza, pesando direttamente il capitano, il software di Cohen ora rende pratico l'uso di un PC per elaborare rapidamente previsioni sui nanomateriali con nuove combinazioni di proprietà elettroniche, magnetiche e di gestione della luce.

Ma Cohen si è anche reso conto che tali simulazioni sono reali solo quanto le abilità degli sperimentalisti in fondo al corridoio. Così, all'inizio degli anni '90, iniziò a collaborare con colleghi di Berkeley, come Alex Zettl, che avevano esperienza nella sintesi di nuovi materiali. La scoperta, e l'effettiva sintesi, dei nanotubi di nitruro di boro nel 1994 fu uno dei primi successi. Cohen, riflettendo sulla struttura atomica dei fogli di nitruro di boro, si rese conto che dovrebbe essere possibile arrotolare i fogli per formare molecole cilindriche. Altri ricercatori avevano recentemente realizzato tubi molecolari simili dal carbonio, ma nessuno aveva esteso la tecnica al boro e all'azoto. Cohen e i suoi studenti hanno avviato i loro modelli e hanno calcolato che i nanotubi di nitruro di boro non solo sarebbero stati stabili, ma avrebbero esibito interessanti proprietà elettriche. Nel giro di un anno, lo sperimentatore Zettl aveva trovato un modo per realizzare i nuovi nanotubi e aveva affermato le proprietà previste.

Un bel trucco scientifico, certo, ma come si trasforma quel tipo di magia della fisica in un business?

La sfida immediata per i ricercatori di Nanomix è perfezionare i sensori che Janac ha promesso di iniziare a vendere il prossimo anno. Finora, i teorici di Nanomix hanno identificato i tipi specifici di nanotubi che reagirebbero in modo più sensibile agli idrocarburi che possono permeare raffinerie, impianti chimici e condotte. Hanno anche previsto come ogni gas altererebbe la conduttanza attraverso i tubi, fornendo un'impronta di tensione che lo identificherebbe. Ora gli sperimentatori devono capire come produrre in serie i dispositivi basati su nanotubi. E devono fornire un prodotto abbastanza affidabile da salvaguardare la vita degli operatori dell'impianto.

Questo tipo di sviluppo di un nuovo materiale può richiedere facilmente un decennio. Ma se Nanomix, usando la sua modellazione e le sue competenze teoriche per abbreviare il processo, riuscirà a portare a termine il trucco nel prossimo anno o giù di lì, convaliderà la sua strategia per la nanoinvenzione. Aprirà anche le porte a un intero mondo di sensori. Per cominciare, Nanomix dovrebbe essere in grado di personalizzare i sensori di nanotubi per fiutare qualsiasi gas, dal monossido di carbonio ai composti utilizzati nelle armi chimiche. E l'azienda sta sponsorizzando la ricerca accademica volta a mettere a punto i nanotubi per rilevare gli odori biochimici della malattia, misurare i livelli di insulina nei diabetici o rilevare gli antigeni che indicano l'infezione. I nanotubi sono la piattaforma di rilevamento definitiva, afferma Janac. Non hai bisogno di più della sensibilità di una singola molecola, il tuo consumo energetico sarà di nanowatt e in termini di dimensioni non puoi diventare più piccolo, almeno nel prossimo futuro, di un nanotubo. Pensiamo di rivoluzionare il settore dei sensori con questa architettura.

Nano dollari

Ma le sfide tecniche non sono le uniche pressioni che Nanomix deve affrontare. Non solo l'azienda sta correndo per ottenere un prodotto nano sul mercato, ma deve battere la concorrenza per il pool relativamente piccolo di fondi di capitale di rischio disponibili per le startup nanotecnologiche. Tra molti esperti, l'entusiasmo per le prospettive della nanotecnologia potrebbe crescere, ma la volontà degli investitori di investire denaro in tecnologie altamente speculative non sta crescendo altrettanto rapidamente. Il che significa che Nanomix, come molte altre giovani aziende nanotecnologiche, deve lottare non solo per rispondere a scoraggianti domande scientifiche, ma semplicemente per sopravvivere.

Alta Partners, con sede a San Francisco, ha finanziato il seeding di Nanomix nel 2000 e l'anno scorso Nanomix ha raccolto 4,5 milioni di dollari. Ma da allora, è stato difficile trovare ulteriori fondi, poiché i venture capitalist sono diventati cauti dopo il crollo economico dello scorso anno. È stato un lungo sforzo convincere altre persone a investire, afferma Peter Schwartz, partner di Alta.

Ironia della sorte, sono proprio i punti di forza di Nanomix - un forte pedigree accademico e competenza teorica - che possono ostacolare l'azienda di fronte a potenziali investitori diffidenti in un campo in cui i risultati spesso suonano più come una ricerca di base che prodotti praticabili. E lo stuolo di teorici di Nanomix rende particolarmente facile scambiare l'azienda per un laboratorio di ricerca di base.

La pressione ha portato Nanomix a porre un'enfasi a breve termine sullo sviluppo del prodotto a spese degli sforzi dell'azienda nella fisica teorica. Ma mentre Cohen può accettare l'immediata necessità di ottenere un prodotto fuori dalla porta per ottenere il sostegno finanziario, rimane impegnato nel suo sogno: un'azienda che inventa e commercializza nanomateriali unendo la modellistica quantistica e la teoria con abile sperimentazione. È un sogno pieno di materiali esotici, limitato solo dalle regole della fisica e dall'intelligenza dei suoi praticanti.

Come molti ricercatori nel campo delle nanotecnologie, Cohen e i suoi colleghi scientifici di Nanomix sono convinti che i nanomateriali avranno applicazioni non solo nel rilevamento e nello stoccaggio dell'idrogeno, ma in dispositivi elettronici mille volte più piccoli dei transistor al silicio di oggi, rendendo possibili computer ultraveloci e ultrapiccoli. I circuiti lillipuziani con miliardi di nano componenti potrebbero essere ancora anni nel futuro, ma i ricercatori di Nanomix stanno già pensando ai nanomateriali che potrebbero realizzarli.

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