Una nuova rivoluzione incentrata su nuovi materiali avanzati è in corso nei laboratori di ricerca di tutto il mondo già da qualche decennio. Gli scienziati stanno mettendo a punto nuove tecniche per manipolare la materia per produrre materiali con proprietà inaudite, capaci di abilitare innovazioni che spaziano dalle costruzioni, alla medicina. Tra le varie scoperte possiamo annoverare cementi la cui produzione richiede minori emissioni di CO2 (l’industria cementizia è responsabile di quasi il 5% di tutte le emissioni di CO2 a livello globale). Ci sono poi i materiali “intelligenti” capaci di auto assemblarsi, auto ripararsi o di auto pulirsi, riducendo così drasticamente i costi di manutenzione. Esistono anche metalli dotati memoria di forma, capaci di tornare alle loro forme originali una volta scaldati ad una certa temperatura o di assumere addirittura forme diverse a seconda delle varie temperature a cui sono sottoposti ed infi ne sono stati sviluppati numerosi cristalli e ceramiche piezoelettrici, capaci di produrre energia o simulare il movimento dei muscoli, oltre ovviamente ai nano-materiali di cui parleremo più avanti. Sebbene moltissimi di questi nuovi materiali avanzati possano portare a interessantissime e potenzialmente dirompenti applicazioni, non è tuttavia abbastanza chiaro se essi siano anche suscettibili di esprimere tale potenziale entro il 2025. Il focus di questo articolo sarà quindi più incentrato sui nano materiali avanzati.
I nano materiali avanzati
I nano materiali sono quei materiali che hanno almeno una delle tre dimensioni dell’ordine di qualche decimo di micrometro, ovvero approssimativamente nell’ordine della scala molecolare. A quest’ordine di grandezza, alcune sostanze ordinarie come il carbonio o l’argilla assumono delle proprietà straordinarie, come un’elevata reattività, insolite proprietà elettriche ed un’enorme resistenza per unità di peso, tali da rendere possibile la creazione di nuovi tipi di medicine, rivestimenti a bassissimo attrito e compositi super resistenti. Quando si scende a lavorare su scala molecolare, si entra nel regno della meccanica quantistica (e quindi dei principi di complementarietà di onda elettromagnetica e particella e di indeterminazione di Heisenberg) dove vigono regole che sfuggono alle normali leggi della fi sica classica. Le nano particelle, per esempio offrono un’enorme superficie per unità di volume (fi no a 2.000 m2 per grammo!!), diventando quindi molto reattive (in particolare bio-reattive), rendendole estremamente utili in medicina. I nano materiali possono manifestare inoltre interessantissime e insolite caratteristiche elettromagnetiche, termiche ed ottiche suscettibili di essere utilizzate in moltissimi campi, tra cui sensori e attuatori di nuova generazione per robotica avanzata e Internet od Things. Nano-oggetti e nano macchine possono essere realizzati in vari modi, inclusa la manipolazione diretta delle molecole attraverso microscopi a forza atomica, litografi a a fasci di elettroni o laser in grado di stampare in 2D o 3D su nano scala, anche se tali tecniche sono ancora a livello sperimentale e difficilmente saranno pronte per la produzione su larga scala entro il prossimo decennio. Invisibili all’occhio nudo, molti nanomateriali sono già presenti in diversi prodotti, come farmaci, creme solari, calze antibatteriche, telai di biciclette… I nanomateriali utilizzati oggi sono principalmente quelli che sono relativamente semplici da realizzare e produrre, basati su particelle di argento, argilla e ossidi di metalli. Tali nanoparticelle semplici sono oggi utilizzate in rivestimenti, vernici, sensori, catalizzatori chimici e packaging alimentare. Nanoparticelle di argento, che hanno proprietà antibatteriche, ad esempio vengono aggiunte a detersivi per lavanderia, calze e solette da scarpe, ossidi di zinco sono utilizzati nelle creme solari come fi ltri UV, nanoparticelle di argilla sono utilizzate nei materiali compositi come i paraurti delle auto (per le loro caratteristiche di elasticità e leggerezza) e nei packaging alimentari, grazie alla maggiore protezione offerta all’ingresso di batteri. Nel breve periodo, l’area più promettente per nanoparticelle più complesse è però quella della medicina: l’enorme superfi cie per unità di volume e la grandissima reattività possono rendere le nanoparticelle potentissimi strumenti diagnostici. Si stanno già sperimentando molecole altamente selettive in grado di veicolare farmaci anche molto tossici direttamente ed esclusivamente dove serve, in particolare per la cura dei tumori, riducendo al minimo gli effetti collaterali. Inoltre le modeste quantità richieste, rendono maggiormente superabile il problema degli enormi costi di produzione.
Grafene, nanotubi di carbonio e quantum dots
Grafene e nanotubi di carbonio sono poi un altro interessantissimo ambito, grazie alle loro caratteristiche chimiche e proprietà elettriche assolutamente uniche. Essi possono trovare applicazione in sensori e bio-marcatori, in elettrodi (anodi) per display super sottili, super condensatori e super batterie, potabilizzatori d’acqua e non passa quasi giorno che si scoprono nuove potenziali applicazioni. Il problema è che produrre questi nuovi materiali carboniosi in larga scala è attualmente proibitivamente costoso (fi no a 700 dollari al grammo per i nanotubi) e si prevede rimanga cosi per anni. Tuttavia si ritiene che il mercato globale del Grafene crescerà rapidamente nel prossimo decennio anche se le stime differiscono abbastanza. BCC Research predice che il mercato del Grafene crescerà fi no a 123 milioni di dollari entro il 2017 e arriverà quasi a un miliardo (987 milioni) nel 2022, mentre quello dei nanotubi raggiungerà i 527 milioni entro il 2016. Per fare un confronto, il mercato globale dell’alluminio nel 2012 è stato di 45 milioni di tonnellate per un valore di 112 miliardi di dollari. Un altro materiale interessantissimo sono i quantum dots, semiconduttori con proprietà ottiche uniche, che potrebbero trovare uso in display e computer quantici. Per realizzare appieno il potenziale di questi nanomateriali, l’ostacolo maggiore sembra essere rappresentato dagli attuali elevatissimi costi di produzione di Grafene , nanotubi e quantum dots in grandi volumi. Altri grossi problemi risiedono nella diffi coltà di realizzazione di formati di grandi dimensioni di alta qualità di fogli di Grafene e lunghi nanotubi e nella manipolazione di nanomateriali piccolissimi, altamente reattivi e tossici come le molecole anticancro di nuova generazione. Finché queste sfi – de di produzione non saranno pienamente risolte, il potenziale impatto economico rimarrà limitato. Ci sono inoltre problematiche di tipo regolatorio per quanto riguarda l’impatto ambientale di nuove molecole, specialmente per la gestione della fi ne del ciclo di vita di prodotti contenenti materiali potenzialmente tossici. In considerazione di tutto ciò, appare abbastanza chiaro che il potenziale di questi materiali avanzati potrà solo essere appena che percepito nei prossimi anni, ma considerando gli enormi investimenti in R&D in tutto il mondo, è solo una questione di tempo.
