Science, 7 Mag 93, Vol. 260, pg. 753 - Ivan Amato - Recentemente i chimici stanno cercando di realizzare strutture molecolari con architetture predeterminate, cioè di sintetizzare strutture periodiche come i cristalli su scala nanometrica che possono essere ingrandite indefinitamente e con proprietà regolabili. Queste strutture aprono nuovi campi alla chimica ed alla scienza dei materiali. Il metodo è quello di sintetizzare degli elementi modulari tali che le loro proprietà fisiche e chimiche producano dei protocolli di assiemaggio programmato. Fra le applicazioni la realizzazione di cristalli fotovoltaici che convertano la luce in elettricità, strutture catalitiche che trasformino lo zucchero in combustibili. Un altro obiettivo è la realizzazione di un computer molecolare con un array di switch nanometrici che si comportino come i circuiti integrati a semiconduttore. Un’altra struttura da imitare è quella della doppia elica del DNA. Altri stanno realizzando fili molecolari che conducono l’elettricità e allineamenti molecolari per nuovi materiali magnetici. Strutture tubolari a base di carbonio sono già in fase molto avanzata di realizzazione.
Science, 7 Mag 93, Vol. 260, pg. 786 - Hiroo Ukita - Microstrutture inclusi sensori risonanti, valvole e pompe possono essere realizzate mediante fotolitografia. L’uso del Gallium Arsenide (GaAs) è adatto ad integrare strutture ottiche e meccaniche. La NTT giapponese ha realizzato un sensore risonante su substrato di GaAs con sistema ottico di rivelazione. L’applicazione può essere quella di accelerometri per sistemi di controllo e di filtri meccanici in sistemi di comunicazione.
Science, 30 Jul 93, Vol. 261, pg, 576 - D. H. Waldeck - Non esistono ancora dispositivi artificiali a livello molecolare, ma sono note le connessioni fra proprietà macroscopiche e molecolari. Un caso tipico è dato dall’analogia fra le proprietà di rettificazione di un film monolayer ed un film multilayer organico. Tali dispositivi potranno diventare importanti in nuove architetture di computers magari di tipo neurale e nella robotica.
Science, 8 Oct 93, Vol. 261, pg. 195 - Mark Reed - La possibilità di realizzare strutture di materia mettendo insieme uno ad uno singoli atomi con proprietà dominate dalle leggi della meccanica quantistica si è sviluppata insieme alla tecnica del microscopio a scansione ad effetto tunnel (STM = Scanning Tunnelling Microscope). Le tecniche usate sono quelle epitassiali e litografiche sotto controllo dello STM. Particolarmente adatti sono gli atomi di ferro come building blocks delle strutture. 48 atomi di Fe possono costituire un anello di 142,6 Å di diametro sopra una superficie di Cu. Questo anello è ben descritto dall’equazione di Schrödinger.
Science, 5 Nov 93, Vol. 262, pg. 877 - J. J. McClelland - Dall’avvento della microelettronica negli anni ‘60 la ricerca si è orientata verso strutture sempre più miniaturizzate. Le tecniche di litografia sono limitate dal fenomeno della diffrazione e con l’uso della luce ultravioletta ci si avvicina a 0,2 micron. L’uso dei raggi X promette ulteriori miglioramenti, ma è ancora allo stato di sviluppo. Si sta studiando ora in parallelo la tecnica di fabbricazione di nanostrutture sfruttando le forze di risonanza delle radiazioni laser su fasci atomici che vengono focalizzati e depositati sopra un substrato a formare strutture delle dimensione della lunghezza d’onda. Si viene a formare con il laser una lente atomica che deposita gli atomi secondo un pattern desiderato. Il campo della radiazione laser agisce sulla traiettoria degli atomi secondo due tipi di forze: una forza spontanea ed una forza di dipolo o gradiente. La forza spontanea si genera quando un atomo assorbe ripetutamente un fotone dal campo laser e lo reirradia per emissione spontanea; si ha un impulso nella direzione del fotone assorbito. La forza di dipolo è quella prodotta dal gradiente del campo elettrico del laser. Gli atomi più usati nella focalizzazione sono quelli di Cromo emessi ad una temperatura di 1575 °C, il laser è applicato trasversalmente e crea, mediante riflessione da uno specchio, un’onda stazionaria che focalizza il fascio atomico. Si crea un deposito monodimensionale con picchi ed avvallamenti periodici separati da una distanza di mezza lunghezza d’onda.
Science, 25 Mar 94, Vol. 263, pg. 1698 - Robert Pool - Le zeoliti sono una classe di materiali cristallini con una struttura a cavità regolari delle dimensioni del nanometro che possono essere usati per il controllo di reazioni difficili o impossibili da ottenere. Si possono considerare come dei nanoreattori, le loro celle costituiscono dei tunnel attraverso i quali le molecole possono essere filtrate o trattenute secondo le loro dimensioni. In questi tunnel si possono sintetizzare lunghe catene organiche di molecole e recentemente polimeri conduttivi. Presso la Du Pont, usando le zeoliti come supporto si sono realizzati transistor ottici a base di cadmium-sulfide che possono diventare trasparenti o opachi in dipendenza della quantità di luce che incide. Sottili cristalli di materiale sensibile alla luce su supporto di zeoliti possono funzionare come memorie ottiche da usare ad esempio nelle carte di credito. Inviando un raggio laser si può indurre una trasformazione chimica ed un secondo laser può leggere il cambiamento, inoltre la memoria si può cancellare.
Science, 25 Mar 94, Vol. 263, pg. 1700 - Daniel Clery - Sono ormai promettenti gli sviluppi sui LED (Light Emitting Diode) a base di polimeri organici per sostituire quelli attuali costituiti da semiconduttori inorganici. I nuovi LED organici saranno disponibili in un vasto campo di colori e saranno in materiale flessibile. Attualmente il problema più grave è la loro durata in quanto dopo 10 o 100 ore di funzionamento la loro efficienza si attenua, inoltre la loro fisica non è ancora completamente compresa. Quando questi problemi saranno completamente risolti questi materiali invaderanno il mondo dell’elettronica. Polimeri sono utilizzabili anche come conduttori, fra questi il poly-phenylene-vinylene (PPV) con una conducibilità di 5*10E3 A/(V cm).
Science, 28 Oct 94, Vol. 266, pg. 543 - Elizabeth Gardner - Le tecniche litografiche convenzionali di fabbricazione dei chip per transistor hanno problemi per strutture più sottili di 0,2 micron. Il mese scorso un fisico svizzero, Calvin Quate, ha annunziato di aver creato dei transistori mediante attrezzature usate per l’osservazione su scala nanometrica: lo Atomic Force Microscope (AFM). Lo AFM è stato usato per tracciare la linea ultrasottile che forma il cuore del transistor. Si è usato un substrato di zaffiro ricoperto da uno strato di silicio amorfo ed un sovrastrato di idrogeno. La sonda AFM ha rimosso lo strato di idrogeno lungo una linea permettendo l’ossidazione del silicio. Una volta asportato il silicio non protetto dall’ossidazione è rimasta una linea più sottile di 0,1 micron. Sono stati così creati dei MOSFET (meta-oxide-silicon field effect transistors) funzionanti. Il processo è per il momento troppo lento per una produzione di serie perché si traccia una linea per volta. Per il futuro si può pensare ad un array di probe AFM che lavorano simultaneamente.
Science, 5 May 95, Vol. 268, pg. 639 - Robert Pool - Ricercatori della Colorado State University hanno realizzati un crivello molecolare con pori delle dimensioni di 1,6 nanometri come una membrana capace di fare passare ioni di carica positiva o negativa semplicemente cambiando un potenziale elettrico. Si è ottenuto così un crivello ionico commutabile. Poiché inoltre le dimensioni dei pori rientrano in quelle delle molecole si può cominciare a pensare di filtrare le sostanze in funzione delle dimensioni molecolari.
Science, 6 Oct 95, Vol. 270, pg, 68 - D. H. Pearson - Sono state realizzate membrane metalliche in film sottile che contengono un reticolo di fori del diametro di 40 nanometri. Queste membrane hanno un vasto campo di applicazioni: per sistemi ottici, filtri ed applicazioni biomediche. Tali reticoli inoltre danno l’opportunità di studiare gli effetti quantistici che si verificano con queste dimensioni. Le membrane usano metalli nobili come platino, oro, tungsteno e molibdeno o materiali refrattari come vetri e ceramiche.
Science, 17 Nov 95, Vol. 270, pg. 1119 - Robert F. Service - Dopo la realizzazione dei nanotubi, sottili cilindri di carbone dal diametro di 15 miliardesimi di metro, nel 1991, sono stati pubblicati moltissimi rapporti sulle loro proprietà, sintesi ed applicazioni, dai nanofili ai filtri molecolari. Un ultimo rapporto di ricercatori svizzeri parla di un display piatto, economico e di alta qualità costituito da un array di nanotubi allineati ed utilizzati come emettitori di elettroni per effetto punta essendo il raggio di curvatura del bordo minore di 1 nanometro. Si tratta ora di controllare indipendentemente l’emissione dei nanotubi dell’array per creare immagini su un uno schermo luminescente.
Science, 16 Feb 96, Vol. 271, pg. 920 - Robert F. Service - Piccoli aggregati di atomi o molecole, detti nanoparticelle o nanocristalli ed oggi più comunemente nanocluster, hanno proprietà elettriche, ottiche e magnetiche diverse da quelle dei materiali di dimensioni macroscopiche perché dipendenti ancora dalla meccanica quantistica. Queste proprietà possono essere modificate variando quindi le dimensioni del cluster. Un esempio è la realizzazione di laser con nanocluster di semiconduttori nei quali il colore della luce emessa dipende dalle dimensioni dei cluster; tutto dipende dalle bande di energia degli elettroni nei cluster che sono determinate dalle loro dimensioni. Oltre che nei laser i cluster sono impiegati per film sottili policristallini da usare nelle celle solari o nei display per computer. Altre applicazioni si prevedono per le batterie e per memorie magnetiche ad alta densità.
Science, 1 Mar 96, Vol. 271, pg. 1232 - Robert F. Service - Due team di ricercatori, uno a Berkeley (California) e l’altro a Namur in Belgio, hanno trovato un modello per realizzare dei nanotubi di carbonio che si comportano come semiconduttori da un lato e metallo dall’altro creando un’eterogiunzione che può controllare un flusso elettronico. Un nanotubo regolare di carbonio è costituito da un cilindro formato da sei anelli esagonali di atomi di carbonio che si ripetono lungo l’asse del tubo. Inserendo degli anelli a sette atomi di carbonio si formano delle bande elettroniche contigue come per i metalli.
Science, 19 Jul 96, Vol. 273, pg. 312 - Robert F. Service - Un team di ricercatori dell’università di Harvard ha messo a punto una tecnica per realizzare stampi e fusioni miniaturizzate nel campo delle nanostrutture. Questa tecnica produce in particolare delle complesse strutture reticolate con larghezze del centinaio di nanometri su superfici piane o curve di materiale ottico. Questi reticoli sono importanti per i sistemi di trattamento di raggi laser, lenti per focalizzare e filtrare luce per telecomunicazioni e per applicazioni di processaggio ottico. Per creare dei microstampi si è applicata una tecnica di stampa a microcontatto. Si usa per primo passo una fotolitografia per incidere un fotoresist o un wafer di silicio. Questo serve come stampo per un polimero liquido detto polydimethylsiloxane (PDMS) che poi viene riscaldato, essicato ed estratto. Così il PDMS diventa uno stampo con l’immagine negativa del fotoresist che può essere anche incurvato. Con la fotolitografia si raggiungono dimensioni limiti del micrometro. Per ridurre queste dimensioni basta comprimere lo stampo di PDMS riducendo le dimensioni alla metà. Si crea una replica in poliuretano e così si crea un nuovo master in PDMS che può essere ulteriormente compresso. Con questo procedimento reiterato si sono ottenute dimensioni di 200 nanometri e si pensa di arrivare ai 10 nanometri.
Science, 30 Aug 96, Vol. 273, pg. 1173 - Alexander Hellemans - Recentemente, alla First International Vacuum Electron Sources Conference tenuta fra l’1 ed il 4 luglio, la Philips ha proposto un nuovo metodo per fabbricare display piatti ricorrendo alla nanotecnologia. Si tratta di realizzare dei dispositivi di emissione elettronica detti field emitters basati su punte acuminate che producono un campo elettrico sufficientemente intenso a provocare l’emissione di elettroni nel vuoto con tensioni di solo 5 V. Il field emitter display (FED) è costituito da un array di nanotips: piccoli coni di metallo, silicio o diamamte. Il diamante in particolare presenta eccellenti proprietà di emissione in forma di film facile da realizzare perché si presenta in forma di punte acuminate su scala nanometrica. Un inconveniente è che l’emissione fluttua fino al 50% perché le punte sono costantemente bombardate dagli atomi del gas residuo del vuoto; il risultato è un’illuminazione non uniforme sullo schermo.
Science, 3 Oct 97, Vol. 278, pg. 77 - Susumu Saito - Dall’inizio della tecnologia dei semiconduttori nel 1947 la miniaturizzazione dei componenti è stata continua e recentemente le dimensioni si riducono alla metà ogni 3 anni. Questa situazione dovrà cambiare quando dalle attuali dimensioni di circa 10 micrometri si passerà ai 10 nanometri, una dimensione dove la materia si comporta in modo diverso a causa degli effetti quantistici. Questo limite si raggiungerà entro una decade e già oggi sono stati sperimentati diversi dispositivi che usano gli effetti quantistici. In questo ambito le strutture al carbonio in scala nanometrica, come i nanotubi e fullereni, risultano molto promettenti. I nanotubi, a seconda della loro topologia possono comportarsi da semiconduttori o da metalli e formare dispositivi attivi a due o tre terminali, diodi , switch, celle solari, e potranno aprire la strada per realizzare i dispositivi elettronici del prossimo secolo.
Science, 1 May 98, Vol. 280, pg. 693 - Henry Hutchinson - Strutture formate da cluster di atomi contenenti diverse migliaia di atomi si realizzano facilmente e forniscono informazioni su come variano le proprietà della materia passando dal singolo atomo allo stato solido. Specialmente interessante è il modo come i cluster interagiscono con la luce. Se le dimensioni del cluster sono inferiori alla lunghezza d’onda della luce tutti gli atomi sono soggetti allo stesso campo elettrico e si muovono come un unico grande dipolo. Si sono osservate esplosioni di cluster di gas rari quando vengono irradiati da intensi fasci laser ed emissioni molto intense di raggi X irradiando gli stessi cluster con impulsi di raggi ultravioletti della durata di 1 ps. Quando un impulso laser interagisce con un cluster, gli atomi vengono ionizzati, ma gli elettroni rimangono vicini agli ioni e vengono fatti oscillare dal campo elettrico; elettroni ed ioni acquistano sempre più energia fino all’inevitabile esplosione. Il meccanismo può essere quello della risonanza con la frequenza della luce, la temperatura del plasma arriva a quella all’interno delle stelle e l’esplosione è prodotta dall’enorme pressione idrodinamica generata. Un secondo meccanismo è quello detto di Coulomb per il quale, quando un sufficiente numero di elettroni è sfuggito dal cluster, le forze di repulsione fra gli ioni sono sufficienti a disintegrarli ed accelerarli con alta energia cinetica fino a 1 MeV.
Science, 14 Aug 98, Vol. 281, pg. 940 - Robert F. Service - Due anni fa il chimico Richard Smalley divise il premio Nobel in chimica per la parte da lui avuta nella scoperta della molecola dei fullereni una struttura sferica del carbonio. Ora Smalley si è dedicato allo sviluppo dei nanotubi, strutture tubolari di carbonio terminati da ambedue i lati da un mezzo fullerene; essi hanno una sezione di un micrometro ed una lunghezza di 100 micrometri, sono 100 volte più resistenti dell’acciaio, leggeri, possono essere flessi, deformati e sottoposti a torsione, conducono l’elettricità come il rame o i semiconduttori e trasportano i calore meglio di ogni altro materiale. Tra le possibili applicazioni ci sono cavi super robusti, collegamenti sottilissimi per futuri computer, cannoni elettronici per display a schermi piatti ed accumulatori di energia per batterie. Le loro proprietà sono legate alla struttura ed ai difetti nel reticolo degli atomi di carbonio. Ci sono due classi di nanotubi: i “single wall nanotubes” (SWNT), fatti da un singolo tubo di atomi, ed i “multiwalled nanotubes” (MWNT) formati fino ad una dozzina di nanotubi coassiali. L’atomo di carbonio si unisce facilmente con tre atomi vicini e costituisce degli anelli esagonali che a 1200 °C costituiscono le lamelle di grafite, ma i bordi sono instabili per gli elettroni liberi e le lamelle tendono a curvarsi ed a chiudersi a formare i nanotubi. Anche i nanotubi sono buoni conduttori per gli elettroni che si muovono liberamente fra gli anelli, ma se sono sottoposti a torsione si comportano da semiconduttore; un nanotubo costituito da una parte conduttore ed un’altra semiconduttore si comporta come un diodo molecolare nel quale la corrente fluisce solo in una direzione. Come conduttore il nanotubo trasporta la corrente essenzialmente senza resistenza a temperatura ambiente per un fenomeno detto di “ballistic transport” come i fotoni nelle fibre ottiche. I nanotubi vengono usati come sonde negli Scanning Tunneling Microscope (STM) e si può pensare a realizzare dei nano ingranaggi applicando dei gruppi benzenici al nanotubo con funzione di denti. Entro il 2000 si pensa già di commercializzare dei display piatti che usano i nanotubi come cannoni elettronici. Altra applicazione è quella di usare i nanotubi come mezzo per accumulare idrogeno per le fuel cells e liquidi elettroliti per le batterie. Nanotubi aperti sono capaci di assorbire grandi quantità di idrogeno con poca pressione appena sotto la temperatura ambiente. Per la diffusione di queste applicazioni c’è ancora il problema della fabbricazione. I MWNT possono essere fabbricati in centinaia di kg con un processo catalitico, per gli SWNT si parla invece di grammi, ma per applicazioni industriali si deve parlare di tonnellate. Si spera quindi di trovare in dieci anni metodi più efficaci di produzione. Una preoccupazione legata all’uso dei nanotubi è la loro somiglianza con le fibre di asbesto, l’uso del quale è considerato cancerogeno; qualcuno però osserva che è la capacità dell’asbesto di generare composti reattivi di ossigeno che lo rende cancerogeno.
Science, 16 Oct 98, Vol. 282, pg. 402 - Ivan Amato - Le tecniche usate nei microchip dei circuiti elettronici si stanno ora estendendo ai Micro ElectroMechanical Systems, o MEMS, con cui vengono realizzati dispositivi meccanici invisibili ad occhio nudo che vanno da semplici leve e rotori a complessi accelerometri e sistemi di blocco per armi nucleari. I MEMS sono veloci ed economici per produzioni di massa e, per esser di piccole dimensioni, sono molto più resistenti. Ad esempio dal 1993 sono stati impiegati accelerometri MEMS per i sistemi di air-bag di automobili; ad oggi circa 600 laboratori, universitari, governativi e privati, lavorano su questi dispositivi. Le tecniche sono quelle note di fotolitografia ed etching ed il materiale usato è il silicio. La Texas Instruments ha realizzato un Digital Micromirror Display con più di un milione di specchietti mobili in un chip MEMS che converte un’immagine elettronica in un’immagine reale a colori ad alta risoluzione. Altre applicazioni sono lettori di codici a barre, dispositivi per fax e casse automatiche; l’applicazione dei MEMS agli hard-disk driver per PC aumenterà la capacità di memoria. I sistemi di blocco per armi nucleari sono fra i più complessi e rispondono ad un codice di 24 bit che specifica la sequenza di sblocco; ogni bit comanda un pin che agisce in un microscopico ingranaggio e se il comando è corretto gli permette di ruotare.
Science, 24 Nov 2000, Vol. 290, pg. 1532 - H. G. Craighead - I MEMS (MicroElectroMechanical Systems) sono stati studiati per decenni con crescente interesse per le numerose applicazioni. In particolare sono stati realizzati array di specchi micromeccanici con diametro di 0,4 mm per sistemi ottici di telecomunicazioni e come modulatori di luce. Un’altra applicazione è nel controllo del fluido nelle stampanti ad ink-jet e come sensori di accelerazione ed attuatori per il dispiegamento degli air bag nelle automobili. Le dimensioni tipiche dei MEMS sono dell’ordine di parecchi micrometri fino ad alcune centinaia di micrometri; la tecnologia impiegata è quella planare dei circuiti integrati. I NEMS sono invece i NanoElectroMechanical Systems che coinvolgono tecnologie più sofisticate, hanno dimensioni nel campo dei nanometri ed applicazioni in sensori, diagnosi mediche, display, memorie e sistemi sospesi risonanti fino a 1-10 MHz. Altri sviluppi si vedono nell’uso dei nanotubi di carbonio per le loro interessanti proprietà meccaniche.
Science, 3 Aug 2001, Vol. 293, pg. 782 - Robert F. Service - Presso L’Università di California Los Angeles (UCLA) sono stati realizzati degli array di nanotubi in due strati perpendicolari sovrapposti con interposto un materiale organico le cui molecole collegano verticalmente i nanotubi e sono capaci di funzionare come switch. L’array costituisce un microchip con una densità di transistors 30 volte quella della tecnologia corrente ed apre la strada all’elettronica molecolare ed a nuove applicazioni dei computer come quelle della traduzione simultanea delle lingue. Negli ultimi 35 anni l’elettronica al silicio ha permesso il raddoppio dei transistors nei chip ogni 18 mesi secondo la nota legge di Gordon Moore, il fondatore della Intel; oggi si è arrivati a piste di circa 100 nanometri e la prossima tecnologia ridurrà queste dimensioni alla metà, ma la tecnica litografica oggi usata porta dei difetti nelle piste di collegamento che producono dissipazione e una seconda legge di Moore afferma che il costo di fabbricazione aumenta esponenzialmente con il diminuire delle dimensioni. L’elettronica molecolare non soffre di queste imperfezioni e potrebbe sfruttare la capacità di self-assembling per semplificare la fabbricazione superando la seconda legge di Moore. I progressi nell’elettronica molecolare hanno avuto un’accelerazione a metà degli anni ‘80 con l’invenzione dello scanning probe microscope che permette di vedere i singoli atomi su una superficie e di maneggiarli. I problemi sono però ancora moltissimi. Si è risolto il problema di un buon collegamento elettrico fra elettrodi e nanotubi e si possono realizzare nanotubi di tipo p e di tipo n, ma questi non hanno ancora caratteristiche uniformi. Molti ricercatori dubitano che sia possibile realizzare con tecniche molecolari un intero sistema e certamente non ci si potrà spingere a utilizzare singole molecole perché il danneggiamento di una sola significherebbe il fuori uso di un intero sistema ed il limite sarà di decine o centinaia di molecole per elemento attivo. Molti si aspettano di vedere fra breve l’apparizione di sistemi ibridi che combinano elettronica molecolare con tecniche self-assembling ed elettronica al silicio tradizionale con tecnica litografica. Si assiste intanto a massicci investimenti da parte di tutte la compagnie nelle tecnologie molecolari perché nessuno vuole rimanere indietro.
Science, 2 Aug 2002, Vol. 297, pg. 784 - Ray H. Baughman - Come si sa esistono due tipi di nanotubi, i single-walled nanotubes (SWNT), uno strato di atomi di carbonio avvolti a formate un tubo, ed i multiple-wallewd (MWNT) che formano tanti tubi concentrici come i cerchi di un tronco. I SWNT possono comportarsi da metallo o semiconduttore secondo la direzione con cui si avvolge il reticolo di atomi di carbonio e questa direzione è definita da una coppia di numeri (n, m); ci sono tre tipi: a poltrona (armchair) se n = m, zigzag se n = 0 e m = 0, chiriale se n è diverso da m. I tipi poltrone si comportano tutti da metalli, gli altri sono tutti semiconduttori ed hanno bande elettroniche vicine se n-m = 3k con k intero non nullo mentre per gli altri valori la distanza fra le bande è inversamente proporzionale al diametro del tubo. Simili sono le proprietà elettroniche dei MWNT e, trattandosi di strutture unidimensionali, il trasporto degli elettroni avviene lungo la lunghezza dei nanotubi. I SWNT di piccolo diametro sono rigidi ed hanno un elevato modulo di Young di circa 0,64 TPa. SWNT e MWNT vengono ottenuti mediante scarica ad arco di carbone, mediante laser o deposizione di vapori chimici su particelle catalitiche. I diametri dei SWNT variano da 0,4 a 3 nm e da 1,4 a 100 nm per i MWNT; la produzione è su piccola scala ed il costo è molto alto, la qualità più pura costa 750 US$/g, quella meno pura 60 US$/g. La produzione di SWNT della Carbon Nanotechnology Inc. è di 9 kg al giorno e la proiezione per il 2004 di migliaia di kg alla settimana, questo dovrebbe diminuire i costi. Tutti i metodi di sintesi producono un miscuglio di nanotubi metallici e semiconduttori e per riscaldamento si possono distruggere quelli conduttori. Maggiore è la produzione dei MWNT; già nel 1990 era di molte tonnellate all’anno da parte della Hyperion Catalysis International Inc. che produce su brevetto. Una delle applicazioni dei nanotubi è nella realizzazione di materiali compositi. Incorporando nanotubi nelle plastiche si realizzano materiali strutturali che aumentano considerevolmente la resistenza. La durezza (Vickers) aumenta di 3.5 volte con il 2% di SWNT e la conduttività termica raddoppia con l’aggiunta dell’1%. Altre applicazioni sono come elettrodi per supercapacità ed attuatori elettromeccanici nei quali l’iniezione di carica produce espansioni e contrazioni applicando solo pochi volt invece delle centinaia di volt necessari in altri sistemi. In ambedue le applicazioni gli elettrodi costituiti da nanotubi sono separati da un materiale elettrochimico a conducibilità ionica. Lo spessore del dielettrico delle supercapacità è di circa un nanometro rispetto ai micrometri delle ordinarie capacità. Si ottengono così capacità di 180 e 102 F/g rispettivamente con SWNT e MWNT e densità di potenza di 20 kW/kg interessanti per le applicazioni nei veicoli elettrici durante le accelerazioni. I nanotubi sono stati visti anche potenzialmente come accumulatori di idrogeno per le fuel cells di veicoli elettrici o computer portatili, ma questa applicazione è ancora controversa. Come dispositivi elettronici la ricerca si è focalizzata sul loro uso come sorgenti di elettroni ad emissione di campo per display piani, lampade, tubi a scarica e generatori di radiazioni X o microonde. Una punta di nano tubo usata come catodo produce un intenso campo localizzato che causa l’emissione di elettroni che possono essere raccolti da un anodo con fosfori per produrre luce. I nanotubi hanno un’emissione stabile, lunga vita ed hanno bisogno di bassi potenziali. Come display piani hanno basso consumo, alta luminosità, ampio campo di vista, alta velocità di risposta ed ampio campo di temperatura; per la fabbricazione richiedono però una tecnologia sofisticata ed i loro competitori sono i display a cristalli liquidi con i nuovi diodi emettitori organici e polimerici. Le lampade a nanotubi con speciali fosfori hanno una lunga vita (>8000 ore) ed alta efficienza. Se il fosforo è sostituito da un elettrodo metallico e si usa una tensione di accelazione maggiore si possono emettere raggi X con fasci stretti utilizzabili in endoscopi per esplorazioni mediche o per realizzare array di emettitori per immagini mediche. Per l’elettronica su scala nanometrica i nanotubi conduttori sono indicati per le interconnessioni, ma è alta la resistenza di contatto alle estremità.. Con nanotubi semiconduttori si sono realizzati field effect transistor e circuiti elettronici complessi interconnettendo nanotubi con diverse caratteristiche. Un’ultima applicazione è quella come sonde per atomic probe microscope.
Science, 27 Jun 2003, Vol. 300, pg. 2018 - Robert F. Service - La capacità dei nanotubi di carbonio, del tipo Single-Walled Nano Tubes (SWNT), di comportarsi sia come conduttori che come semiconduttori in base alla loro precisa configurazione atomica li ha reso attrattivi in svariate applicazioni di nanostrutture a blocchi per computer, ma il metodo per produrre i nanotubi crea un miscuglio di semiconduttori e conduttori e non c’è modo per separarli. Dall’università di Karlsruhe in Germania viene ora pubblicato un rapporto su una tecnica di separazione fra nanotubi metallici e semiconduttori. Il metodo parte dall’osservazione che quando i nanotubi dei due tipi sono sottoposti ad un campo elettrico si formano dei dipoli con cariche opposte ai due estremi e quindi possono essere attratti dagli elettrodi che inducono il campo. Se il campo inducente è continuo, l’effetto è uguale per ambedue i tipi di nanotubi, ma in presenza di un campo alternato, se la carica viene invertita milioni di volte in un secondo, i nanotubi metallici seguono la polarizzazione molto meglio di quelli semiconduttori e quindi si trasferiscono sugli elettrodi più rapidamente. La nuova tecnica separa però solo dei picogrammi di nanotubi alla volta e per il momento è utile per le ricerche di elettronica molecolare. Si cerca ora di adattare il processo a quantità più consistenti.
Science, 21 Nov 2003, Vol. 302, pg. 1310 - Robert F. Service - Cercando la strada di costruire circuiti sempre più complessi senza ricorrere alla fotolitografia, e di portare le dimensioni dei circuiti su scala molecolare, un biofisico dello Israel Institute of Technology di Haifa propone di usare una combinazione di proteine e DNA per la sintesi diretta di un transistor con nanotubo di carbonio ed un procedimento di autoassemblaggio per circuiti complessi. Un nanotubo è stato collegato ad una proteina, la steptavidin, che a sua volta si lega ad una molecola detta biotina e, con una complessa serie di reazioni, si crea una catena di proteine ed un tratto di DNA incollati su una superficie di silicio. Con un’altra serie di reazioni la molecola di DNA è stata terminata con un elettrodo d’oro come terminale elettrico. Infine è stata usata la litografia a fascio di elettroni (e-beam) per collegare gli elettrodi. Il risultato è stato una dozzina di nanotransistors ciascuno lungo poche centinaia di nanometri, una frazione dei transistori convenzionali. Si cerca ora di sostituire la tecnica di collegamento e-beam, troppo lenta, con una tecnica di autoassemblaggio. Nel frattempo un team della Haward University sta costruendo un array di nanowire incrociato che ha in ciascuna intersezione un transistor inattivo fino a che non viene attivato da una reazione chimica mediante fascio laser. Si possono così creare array input-output diversi su scala molecolare.
Science, 9 Apr 2004, Vol. 304, pg. 276 - Ya-Li Li - I nanotubi di carbonio hanno trovato un gran numero di applicazioni come attuatori in micromeccanica, cavi, elettrodi e supporti catalitici e molti sforzi si stanno facendo per migliorare i metodi di produzione e per ottenere l’ottimo delle proprietà in una o più direzioni. I nanotubi si autoassemblano in grazia delle forze di van der Waal e recentemente sono stati realizzati fili di nanotubi lunghi 20 cm per pirolisi da exano, ferrocene e tiofene. Si è visto che i nanotubi si possono produrre direttamente dalla zona gassosa di reazione della fornace ed avvolgere la fibra in modo continuo senza apparente limitazione di lunghezza. Come sorgente di carbonio è stato scelto l’etanolo al quale è stato mescolato 0,23-2,3 % in peso di ferrocene e 1,0-4,0 % in peso di tiofene e la combinazione è stata introdotta dall’alto della fornace con flusso costante di 0,08-0,25 ml/min insieme ad un flusso di idrogeno di 400-800 ml/min ad una temperatura di 1050-1200 °C. In queste condizioni si forma un aerogel mentre il gas si muove verso l’alto lungo le pareti della fornace e verso il basso al centro lungo l’asse dove si forma la fibra in modo continuo. Aggiustando le condizioni di reazione si formano multiwalled nanotubes (MWNT) o singlewalled nanotubes (SWNT). Gli SWNT si formano in preferenza con un flusso di idrogeno più alto. Anche le caratteristiche meccaniche dipendono dalle condizioni del processo.
Science, 20 Jul 2007, Vol. 317, pg. 333 - Martin G. L. van der Huvel and Cees Dekker - Negli ultimi decenni si sono condotte un gran numero di ricerche biologiche per riprodurre ciò che le cellule viventi realizzano in miniatura, scoprendo una varietà di dispositivi costituiti da proteine specializzate. Fra i complessi compiti di una cellula c’è la creazione di una copia di se stessa in meno di un’ora, riparazione degli errori del suo DNA, analisi dell’ambiente per reagire ad esso, cambiare la propria forma ed ottenere energia da fotosintesi o metabolismo, usando principi simili a quelli delle cellule solari o delle batterie. Tutte queste funzioni derivano da migliaia di proteine sofisticate, ottimizzate in migliaia di anni di evoluzione. Al momento si può solo sognare di realizzare qualcosa di simile con una frazione delle loro funzioni. Una classe particolare di proteine è costituita da enzimi molecolari che contengono parti in movimento ed usano una sorgente di energia per il moto. Si è interessati a indagare sulla possibilità di impiegare queste nanomacchine biologiche in un ambiente artificiale per compiti di nostra utilità e scoprire se certe proteine possono ispirarci per imitare biocomponenti per motori artificiali di dimensioni comparabili. Le proteine motori agiscono in un ambiente dove domina il moto browniano e la viscosità. La scala di energia dove si opera è quella del prodotto KT, dove K è la costante di Boltzmann e T la temperatura assoluta, prodotto che ammonta a 4 nN*nm da comparare con gli 80 nN*nm che è l’energia derivante dall’idrolisi di una singola molecola di ATP (adenosine triphosphate), da cui deriva l’energia chimica delle cellule. Vi sono biomotori rotanti che possono anche invertire il moto, flagelli elicoidali rotanti nei batteri che costituiscono il loro meccanismo propulsivo, motori lineari che si muovono lungo una proteina polimero con moto discreto. Quando si pensa all’uso di motori molecolari, si intende fare una riduzione di scala di sistemi macroscopici, ad esempio guidare processi di autoassemblaggio, azionare meccanismi su scala nanometrica e piccole pompe per fluidi. Molte di queste applicazioni sono poco più che prove di principio e l’applicabilità è lasciata all’immaginazione ed alla creatività dei ricercatori. Studiando ed usando i biomotori, si possono acquisire conoscenze che sono di interesse della biologia, della scienza dei materiali e della chimica e si può pensare di avere ricadute nella medicina, nei sensori, nell’elettronica e nell’ingegneria; si tratta quindi di un campo interdisciplinare per il futuro.
Science, 1 Feb 2008, Vol. 319, pg. 579 - David K. Ferry - Da circa 4 decenni il progresso dei microchip ha seguito la legge di Moore secondo la quale la densità dei transistor raddoppia circa ogni 18 mesi. Questo costante progresso ci ha portato ad una situazione dove la dimensione critica nei chip ha raggiunto quella di un centinaio di atomi. Questa evoluzione non può durare all’infinito e, per non arrivare alla fine del percorso, molti cercano delle alternative ai classici transistor sperando di rivoluzionare ancora un’industria che ha portato all’esplosione delle telecomunicazioni dopo la seconda guerra mondiale. Fra i più promettenti candidati ci sono i nanowires ed i transistor fatti con essi. Questi nanowires sono sorti come nanotubi di carbonio o di silicio o di una varietà di altri semiconduttori e ci sono molte aspettative. In realtà non potranno rimpiazzare i transistor, ma creeranno un nuovo modello che farà estendere la legge di Moore. Per comprendere questo nuovo modello bisogna capire le basi che hanno guidato la legge di Moore. I transistor sono disposti in un piano come le case in una città. Secondo la Intel l’ultimo microprocessore da 45 nm, con una dimensione critica del gate secondo la direzione della corrente di circa 22 nm, ha circa 410 milioni di transistor in 107 mmq e ciascun transistor occupa un quadrato di silicio di 500 nm di lato. In origine la legge di Moore è stata guidata da tre fattori: a) ridurre la superficie dei transistor e quindi l’area di silicio occupata da ciascuno; b) aumentare la dimensione del microchip stesso; c) ridurre in modo intelligente il numero di transistor per ottenere la medesima funzione riducendone lo spazio occupato. Poiché il costo di fabbricazione non è aumentato sostanzialmente in queste quattro decadi, il costo per unità funzionale e della potenza di calcolo si è andato riducendo esponenzialmente. Nell’ultima decade, tuttavia, la dimensione del microchip è rimasta praticamente costante e quindi i fattori a) e b) sono divenuti più importanti. Oggi ci avviciniamo ai limiti atomici delle dimensioni critiche e quindi è il fattore c) che deve cercare di estendere la legge di Moore. Qui interviene il ruolo dei nanowires. Anche se i transistor hanno un gate molto corto, esso è molto largo per provvedere la corrente necessaria al funzionamento. Se si sostituisce un transistor con i nanowire, se ne devono mettere molti in parallelo per ottenere la corrente voluta. In questo caso cambia però la geometria del transistor il cui gate si sviluppa in verticale (finFET transistor) o in ambedue le dimensioni e si può sfruttare meglio la superficie del silicio cambiando la varietà dei substrati. I transistor sono ora disposti secondo array planari separati da strati metallici (fino a 9 o più) per le interconnessioni. Se non si possono ridurre ulteriormente le dimensioni dei transistor, ci si può muovere verticalmente con i transistor a nanowire verticali che interconnettono piani metallici orizzontali. Ora si cominciano a creare architetture riconfigurabili nelle quali le connessioni fra diversi blocchi funzionali cambiano abilitando transistor verticali che si collegano a strati superiori creando architetture tridimensionali. L’uso dei transistor verticali rivoluziona il progetto con la riconfigurazione dell’architettura e con interconnessioni commutabili (switchables) che permettono di estendere la legge di Moore.
Science, 20 Mar 2009, Vol. 323, pg. 1571 - John D. W. Madden - Ali E. Aliev del NanoTech Institute dell’università del Texas a Dallas ha descritto un materiale di bassissima densità in forma di nastro capace di convertire energia elettrica, chimica, termica o fotonica in energia meccanica per realizzare degli attuatori. Si tratta di nanotubi di carbonio in nastri che hanno la resistenza e la rigidità dell’acciaio, in relazione al peso, in una direzione e sono morbidi come la gomma nelle altre due. Quando sono energizzati, due delle dimensioni rapidamente e reversibilmente triplicano le loro dimensioni mentre la terza si contrae. I nastri sono anche trasparenti, flessibili e conduttivi. I nanotubi di carbonio hanno destato molto interesse come materiali di rinforzo perché i singoli tubi sono rigidi come il diamante ed hanno una resistenza alla tensione maggiore del materiale solido. Aliev ha dimostrato ora anche le loro elevate proprietà anisotrope. I ricercatori hanno realizzato un insieme di nanotubi di carbonio da 11 nm interallacciati a formare un nastro. Questo è molto rigido per il suo peso nella direzione della lunghezza, mentre perpendicolarmente è un milione di volte meno rigido, come una gomma e questa combinazione di caratteristiche è interessante nelle applicazioni aerospaziali dove è critica la riduzione della massa. La rigidità nell’espansione trasversale è provocata dai nanotubi che legano trasversalmente il nastro. Aumentando questi legami si può aumentare la rigidità trasversale per ottenere dei muscoli artificiali per applicazioni mediche e nei robot. L’attivazione elettromeccanica permetterebbe così la realizzazione di nuovi materiali deformabili, calibrati per ogni applicazione.