The Little World of the Future

(Italian version follows below/versione italiana a fine pagina)

Within the National Nanotechnology Initiative (NNI), the United States Research Program on Nanostructures, nanotechnologies have been defined as techniques and applications that employ or produce systems with dimensions in the range of 1 to 100 nanometers. The magnitude scale is compatible with that of natural mechanisms involving filaments of RNA, ribonucleic acid responsible for protein synthesis processes, which are basic to the life of an organism.

In addition to providing a breeding ground of investigation for biological research, nanotechnologies are implemented in a wide range of scientific, technological and industrial fields, from medicine to cosmetics, from electronics to telecommunications, from pollutant disposal to the development of eco-sustainable energies.

Peculiar feature of nanomaterials is a surface extension that dominates compared to volume. This particularity increases the ability to interact with the surrounding environment, maximizing contact at the interface, where electrostatic forces and the dipolar forces of Van der Waals occur, and minimizing the density, which results in overlapping between adjacent electronic orbitals in the solids. There is therefore an increase in resistance, elasticity and resistivity, and more generally a modification of the electrodynamic properties of certain substances in the transition from a macroscopic or microscopic dimensional scale to the characteristic magnitudes of nanoparticles.

Among the most noticeable effects, there is the variation of the optical and chromatic properties in nanometric metallic structures: a light wave incident on a metal surface propagates partially in a direction parallel to the interface between the metal and the external medium, producing in the same direction a collective excitation of electrons called surface plasmon; in the case of metallic nanoparticles with size in the order of magnitude of visible wavelengths, the plasmon remains confined in narrow spaces within which the motion is constrained to perform synchronous oscillations, which under appropriate conditions can enter into resonance with the frequency of the incident radiation. In this case, there is surface plasmon resonance, which generates phenomena of absorption and scattering of visible radiation which are detectable only in the nanomaterials.

In the famous reticulated cup of Lycurgus, a valuable work of the Roman period, dating between the third and fourth centuries and exhibited at the British Museum, an admirable example of plasmon resonance effect is present, used empirically by the ancient glassmakers to create a dichroic glass, made iridescent by contamination with gold and silver nanoparticles of about 70 nanometers dispersed in colloidal form throughout the whole glass volume. Nanoparticles have dimensions that allow reflection of the green component, while the remaining radiation is transmitted with a high dispersion of the blue component compared to the red component. For these reasons, the cup illuminated frontally, i.e. in reflected light, appears green, while it is red when illuminated from the back, i.e. in transmitted light.

The observation of phenomena that only appear on nanometric scales allows to develop measurement techniques and analysis of interactions at the molecular level, in order to develop direct and targeted strategies for the prevention of alteration and degeneration processes in organic and non-organic molecular complexes and to trigger any procedures for the construction, replacement or repair of degraded materials.

In the diagnostic field, nanobiosensors are utilized, such as nanobilance or miniaturized hydraulic devices, equipped with bioreceptors which show strong sensitivity to interactions with infinitesimal quantities of a single specific substance. With such instruments, small samples of biological materials, in particular fluids, can be analysed, with a drastic reduction in the time and cost of laboratory clinical tests. There are also studies on contrast media for the nuclear magnetic resonance (NMR) based on nanoreceptors which are capable of binding in a differentiated manner to the various tissue cells, significantly improving the definition of the images.

In electronics, the components has already crossed the threshold of nanoscale and aims to be able to control and exploit in a short time the quantum effects that would arise from further miniaturization.

In telecommunications, the attempt to expand the range of electromagnetic bands available for signal transport has led, over the last decades, to the implementation of nanostructures for the guided transmission of photons at high frequencies, by employing suitably shaped crystalline materials, which act as waveguides. In addition, nanomaterial mesophases were studied to improve the resolution of liquid crystal display devices.

For the construction of complex nanometric architectures, it is necessary to apply spontaneous self-assembling methods of nanoparticle systems. The identification of interparticle interactions that are able to induce these phenomena of self-organization is accomplished by inverse design (ID) methods, which allow, starting from a given structure or configuration pattern, the search for the corresponding interaction potential. This is optimized with iterative procedures, until a satisfactory convergence is achieved.

In order to identify the most effective interactions in reproducing the desired structure, ID simulations are compared with the probability distributions of the configurations to be obtained. ID calculations are performed using constrained functional forms that are analyzed and compared by statistical methods, such as minimizing Kullback-Leibler divergence between distributions.

Typically, isotropic pair interactions are studied that trigger self-assembling for complex nanostructures such as ideal cluster fluids of equal size spherical particles, porous mesophases and crystalline lattices. The promising results of such analyzes open interesting scenarios, among which the possibility of inducing self-aggregation in porous fluids by purely repulsive interactions or the ability to build extremely complex, stable structural nanocrystals by simply introducing, in a lattice, weak harmonic constraints which address the growth process.

The recent advances outlined here illustrate encouraging prospects for the future implementation of sophisticated nanotechnological diagnostic tools and electronic devices that can improve the quality of our lives. Perhaps we are still far from nanomachines with almost unimaginable molecular assembly capabilities proposed in 1986 by K. Eric Drexler in his Engines of Creation. However, as Drexler himself argues, “what is impossible today will be the reality of tomorrow.”

 


Piccolo mondo nuovo

Nell’ambito del programma di ricerca USA sulle nanostrutture National Nanotechnology Initiative (NNI), sono state definite nanotecnologie le tecniche e applicazioni che impiegano o producono sistemi con dimensioni nell’intervallo compreso tra 1 e 100 nanometri. La scala di grandezze è compatibile con quella dei meccanismi naturali che coinvolgono i filamenti di RNA, l’acido ribonucleico responsabile dei processi di sintesi proteica, basilari per la vita di un organismo.

Oltre a costituire un fertile terreno d’indagine per la ricerca biologica, le nanotecnologie trovano attuazione nei più svariati settori scientifici, tecnologici e industriali, dalla medicina alla cosmesi, dall’elettronica alle telecomunicazioni, dallo smaltimento di inquinanti allo sviluppo di energie ecosostenibili.

Caratteristica peculiare dei nanomateriali è un’estensione superficiale dominante rispetto a quella volumetrica. Tale particolarità incrementa la capacità di interazione con l’ambiente circostante, massimizzando il contatto all’interfaccia, dove si manifestano le forze elettrostatiche e dipolari di Van der Waals, e minimizzando la densità che determina sovrapposizione tra orbitali elettronici adiacenti nei solidi. Ne consegue un aumento della resistenza, dell’elasticità e della resistività, e più in generale una modifica delle proprietà elettrodinamiche di alcune sostanze, nel passaggio da una scala dimensionale macro o microscopica alle grandezze caratteristiche delle nanoparticelle.

Tra gli effetti più evidenti si riscontra la variazione delle proprietà ottiche e cromatiche nelle strutture metalliche nanometriche: un’onda luminosa incidente su una superficie metallica si propaga parzialmente in direzione parallela all’interfaccia tra il metallo e il mezzo esterno, producendo nella stessa direzione un’eccitazione collettiva di elettroni chiamata plasmone di superficie; nel caso di nanoparticelle metalliche, con dimensioni dell’ordine di grandezza delle lunghezze d’onda visibili, il plasmone rimane confinato in spazi ristretti entro i quali il moto è vincolato a compiere oscillazioni sincrone, che, sotto opportune condizioni, possono entrare in risonanza con la frequenza della radiazione incidente. Si parla, in tal caso, di risonanza plasmonica di superficie, che dà luogo a fenomeni di assorbimento e dispersione della radiazione visibile riscontrabili unicamente nei nanomateriali.

Nella celebre coppa diatreta di Licurgo, pregevole opera di epoca romana, databile tra il III e il IV secolo ed esposta al British Museum, è presente un mirabile esempio di effetto di risonanza plasmonica, utilizzato empiricamente dagli antichi maestri vetrai per creare un vetro dicroico, reso cangiante dalla contaminazione con nanoparticelle di oro e argento di circa 70 nm disperse in forma colloidale nell’intero volume vetroso. Le nanoparticelle hanno dimensioni tali da consentire la riflessione della componente verde, mentre la radiazione rimanente viene trasmessa con un’elevata dispersione della componente blu rispetto a quella rossa. Per tali ragioni, la coppa illuminata frontalmente, ossia in luce riflessa, appare verde, mentre figura rossa se illuminata dal retro, cioè in luce trasmessa.

L’osservazione di fenomeni che compaiono solamente a scale nanometriche permette di sviluppare tecniche di misura e analisi di interazioni a livello molecolare, al fine di mettere a punto strategie dirette e mirate per la prevenzione di processi di alterazione e degenerazione in complessi molecolari organici e non, e di innescare eventuali procedure di costruzione, sostituzione o riparazione dei materiali deteriorati.

In campo diagnostico si sfruttano nanobiosensori, come ad esempio nanobilance o dispositivi idraulici miniaturizzati, equipaggiati con biorecettori dotati di una forte sensibilità alle interazioni con quantità anche infinitesimali di una singola sostanza specifica. Con tali strumenti si possono analizzare campioni ridottissimi di materiali biologici, in particolare fluidi, con una drastica diminuzione dei tempi e dei costi degli esami clinici di laboratorio. Sono inoltre allo studio mezzi di contrasto per risonanze magnetiche nucleari (RMN) basati su nanorecettori in grado di legarsi in maniera differenziata alle diverse cellule tissutali, migliorando sensibilmente la definizione delle immagini.

In elettronica, la componentistica ha già valicato la soglia delle nanoscale e si propone di riuscire a controllare e sfruttare in tempi brevi gli effetti quantistici che scaturirebbero da un’ulteriore miniaturizzazione.

Nelle telecomunicazioni, il tentativo di ampliare la gamma di bande elettromagnetiche disponibili per il trasporto dei segnali ha condotto, negli ultimi decenni, alla realizzazione di nanostrutture per la trasmissione pilotata di fotoni ad alte frequenze, impiegando materiali cristallini opportunamente sagomati che fungono da guide d’onda. Si sono condotti inoltre studi sulle mesofasi di nanomateriali per migliorare la risoluzione dei dispositivi di visualizzazione a cristalli liquidi.

Per la fabbricazione di architetture nanometriche complesse, è necessario ricorrere a metodi di autoassemblaggio spontaneo fra sistemi di nanoparticelle. L’individuazione di interazioni interparticellari che riescano a indurre tali fenomeni di auto-organizzazione viene effettuata grazie a metodi di inverse design (ID), che consentono di ricercare, a partire da una determinato modello di struttura o configurazione, il corrispondente potenziale di interazione. Esso viene ottimizzato con procedure iterative, fino al raggiungimento di una convergenza soddisfacente.

Allo scopo di identificare le interazioni più efficaci nel riprodurre la struttura desiderata, si confrontano le simulazioni ID con le distribuzioni di probabilità delle configurazioni che si vogliono ottenere. I calcoli ID si svolgono utilizzando forme funzionali vincolate che si analizzano e comparano tramite metodi statistici, come la minimizzazione della divergenza di Kullback–Leibler fra le distribuzioni.

Tipicamente si studiano interazioni di coppia (pair interations) isotrope che innescano l’autoassemblaggio per nanostrutture complesse come fluidi “cluster” ideali di particelle sferiche con uguali dimensioni, mesofasi porose e reticoli cristallini. I promettenti risultati di tali analisi schiudono interessanti scenari, tra i quali la possibilità di indurre l’autoaggregazione in fluidi porosi tramite interazioni puramente repulsive o la capacità di costruire nanoreticoli stabili di forma estremamente complessa con la semplice introduzione, in un reticolo, di deboli vincoli armonici che indirizzano il processo di crescita.

I recenti progressi illustrati lasciano intravedere prospettive incoraggianti per la futura realizzazione di sofisticati strumenti diagnostici e apparati elettronici nanotecnologici in grado di migliorare la qualità delle nostre vite. Forse siamo ancora lontani dalle nanomacchine con fantascientifiche capacità di assemblaggio molecolare prospettate nel 1986 da K. Eric Drexler nel suo Engines of Creation. Tuttavia, come sostiene Drexler stesso, “ciò che è impossibile oggi, sarà la realtà di domani “.

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