le nanotecnologie potrebbero cambiare in modo radicale il rapporto degli uomini con l’ambiente

Nanotecnologie ed energia
prospettive di grandi cambiamenti

21/01/2014

Il progresso scientifico e tecnologico ha sempre un impatto sul comportamento e sulla storia dei popoli, paragonabile all’impatto delle condizioni geografiche. I sistemi di trasporto a motore, ad esempio, hanno cambiato radicalmente il rapporto fra l’ambiente e gli esseri umani. Anche le nanotecnologie potrebbero cambiare in modo radicale il rapporto degli uomini con l’ambiente. 

La ricerca scientifica porta a comprendere i processi fondamentali della materia, ma per dedurne tecnologie applicabili alla vita quotidiana occorrono strumenti che sfruttano reazioni chimiche, come le pile a combustibile o i pannelli solari. Bisogna cioè capire e saper controllare il meccanismo di base – la reazione chimica. Grazie ai progressi nella tecnologia di imaging è ora possibile osservare dettagliatamente le interazioni chimiche a livello atomico. Potremmo ricavarne conoscenze utili per rivoluzionare la produzione e lo stoccaggio dell'energia.

A inizio 2014 il Brookhaven National Laboratory (USA) ha annunciato di aver usato una serie di tecniche di imaging per osservare per la prima volta reazioni chimiche nell'ordine del nanometro, in tempo reale. È stata in particolare osservata e documentata la reazione responsabile della produzione dell'idrogeno nelle pile a combustibile. È stato visto – per la prima volta - come funziona una reazione chimica a livello atomico, in condizioni operative reali e riproducibili su larga scala. Questo potrebbe portare in tempi brevi ad elaborare nuove tecnologie che usano tali reazioni.

Le tecniche di imaging avranno un’importanza fondamentale per poter applicare le nanotecnologie ai settori più disparati, dalla robotica alle energie rinnovabili.

L'invenzione del primo microscopio permise di osservare i tessuti vivi in alta risoluzione, spiegarne i processi biologici e di conseguenza sviluppare trattamenti e farmaci nuovi. L'ambito medico è quello in cui più facilmente si osserva l'impatto immediato dei progressi della microscopia e delle tecnologie di imaging, ma non è l'unico campo ad essere interessato. Non si potrebbe nemmeno parlare di nanotecnologie senza i progressi della microscopia avvenuti negli anni Ottanta. Ora che possiamo osservare le reazioni chimiche a livello atomico in tempo reale, altri misteri si dipaneranno.

In parole povere, la nanotecnologia è la scienza del molto piccolo. Si parla di “nano” quando l'oggetto di studio ha dimensioni comprese fra 1 e 100 nanometri. Un nanometro corrisponde a un miliardesimo di metro. Per farsene un'idea, si pensi che il diametro di un capello è 100000 volte maggiore di quello di un nanotubo di carbonio. La nanotecnologia studia qualsiasi materiale o reazione chimica le cui proprietà dipendono dalla sua dimensione. Le dimensioni contano, perché determinano le proprietà chimiche e fisiche della sostanza: se cambia la dimensione, cambiano le proprietà dei legami, l'integrità strutturale e così via. In una nanostruttura, più atomi sono esposti sulla superficie in proporzione al numero totale di atomi del composto. Una maggiore superficie determina maggiore reattività, con implicazioni nelle reazioni chimiche e nello stoccaggio di energia. Dipendono dalle dimensioni anche le proprietà elettroniche di un dato materiale. Il colore, la resistenza e la flessibilità cambiano quando si passa da macro a micro.

La tecnologia di imaging ha cercato negli anni di permettere l’osservazione di composti di dimensioni sempre più piccole. Grazie agli avanzamenti della microscopia e della spettroscopia a raggi X, soprattutto negli ultimi cinque anni, è ora possibile osservare reazioni nell'ordine del nanometro in tempo reale. Ma ci sono ancora molti ostacoli da superare. Sino ad ora gli esperimenti sono stati condotti a pressione molto bassa, usando una sola tecnica di imaging. Non abbiamo ancora osservato le interazioni tra i reagenti e l'ambiente in condizioni di pressione normale. Per questo – seppur la possibilità di osservare le reazioni a livello atomico e in tempo reale sia un avanzamento straordinario – non è ancora possibile capire quello che potrebbe verificarsi se la tecnologia venisse usata su larga scala, a livello industriale. Gli esperimenti di cui il Brookhaven National Laboratory ha riferito sono particolarmente interessanti proprio perché sono stati condotti a pressione quasi normale, e usando diverse tecniche di imaging. Le condizioni non sono ancora paragonabili a ciò che si verifica del mondo reale, ma si sta andando in quella direzione. Esperimenti a pressione reale saranno tentati nel corso del 2014. 

L'avanzamento delle tecnologie di imaging a livello nanometrico farà progredire diversi settori, ma la ricaduta più significativa si avrà nel settore delle batterie. Per poter usare davvero su larga scala le fonti di energia rinnovabili intermittenti, come il vento o il sole, bisogna migliorare radicalmente le attuali capacità di stoccaggio e di rilascio dell’energia. Le attuali batterie non sono adeguate. Bisogna migliorare le tecnologie esistenti, o svilupparne altre.

Altri due settori chiave beneficerebbero del miglioramento delle batterie: la robotica e la difesa. I robot potrebbero aumentare la produttività e diminuire la necessità di manodopera, ma dipendono da batterie interne che si scaricano rapidamente – e un robot che deve essere sempre ricaricato è inutile.

Per l'esercito, batterie piccole, leggere, di lunga durata sarebbero una manna dal cielo. I soldati usano quantità enormi di batterie per alimentare radio, torce, sistemi elettronici, visori notturni, telemetri laser, GPS e così via. Il vincolo principale allo sviluppo pratico dell'ossatura di un esercito è la batteria. Le batterie destinate a essere impiegate dalla robotica o dall'esercito devono avere un'altissima densità energetica e pesare poco, perché alimentare dispositivi mobili per lunghi periodi.

Ovviamente la migliore comprensione delle reazioni chimiche a livello nanometrico non determinerà l'immediato il miglioramento delle batterie o di qualsiasi altra tecnologia. Pochi centri al mondo sono in grado di portare avanti esperimenti come quelli del Brookhaven National Laboratory, renderli largamente accessibili e replicabili richiederà un grande impegno da parte di ricercatori e imprenditori in varie parti del mondo. Ma l’avanzamento delle tecnologie di imaging ha anche il vantaggio di ridurre i tempi di ricerca e sviluppo, cioè la fase che richiede grandi investimenti e non genera profitti, e che per questo motivo si svolge abitualmente nei laboratori universitari. A volte occorrono decenni prima che una scoperta venga trasferita dal laboratorio all'industria. Considerate tali tempistiche, è difficile attirare capitale e investitori. La transizione dalla ricerca in ambito accademico e la commercializzazione del prodotto è un ostacolo per ogni nuova tecnologia.

Oggi nel mondo occidentali i ricercatori accademici tendono ad avviare la propria impresa quando fanno scoperte promettenti, così il confine tra mondo accademico e industria sfuma. I finanziamenti tendono a fluire verso le ricerche che hanno veloci ricadute pratiche nella vita di tutti i giorni, a scapito della ricerca di base. Le tecnologie di imaging a livello nanometrico permetteranno ai ricercatori di pianificare più velocemente l'evoluzione successiva di una data tecnologia, o di trovare la soluzione a un problema esistente. La ricerca stessa diventerà più efficiente, i tempi della ricerca verranno ridotti, e questo potrebbe attirare più investimenti sulla ricerca. Batterie, pile a combustibile o pannelli solari potrebbero essere sviluppati e prodotti con anni di anticipo rispetto al passato.

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