Corsi di Studio in Scienza e Tecnologia dei Materiali
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Le Nanotecnologie: la
nuova frontiera della
Scienza dei Materiali
Luciano TARRICONE (Dipartimento di Fisica - Università di Parma)
Massimo LONGO (INFM - Dipartimento di Fisica - Università di Parma)
I materiali naturali hanno segnato la storia dell’umanità, condizionandone il
progresso economico e sociale. La crescente domanda di nuovi materiali
conferma un ruolo essenziale della Scienza dei Materiali per l’innovazione e la
competitività. Lo sviluppo di nuovi materiali richiede necessariamente un
approccio interdisciplinare, con ruolo fondante della FISICA e della CHIMICA,
un contributo degli strumenti MATEMATCO-INFORMATICI e un rapporto
sinergico con le discipline TECNOLOGICHE e INGEGNERISTICHE.
La profonda conoscenza delle proprietà fondamentali, fino
alla scala atomica o molecolare, permette di progettare
“materiali artificiali” con proprietà ad hoc.
Alcuni esempi: i Materiali Semiconduttori
I Materiali Superconduttori e
a Memoria di Forma
I Materiali Organici e Polimerici
La Scienza e La Tecnologia dei Nuovi Materiali
 Nuovi Materiali-Innovazione-Competitività-Crescita Economica
 I Materiali Innovativi (elettronici, magnetici. ottici, biocompatibili, per
usi energetici, catalitici ambientali, ecc.) contribuiscono a formare il 30-40%
del PIL di di un paese ad economia avanzata.
Materiali ed Evoluzione
La comprensione ed il controllo delle proprietà dei
materiali hanno condizionato la vita dell’uomo fin
dall’apparire delle antiche civiltà.
La capacità dell’uomo di scoprire, inventare ed utilizzare nuovi
materiali o di migliorare le proprietà dei materiali noti ha
generato profondi cambiamenti in tutti i settori della vita civile.
L’evoluzione tecnologica che ne è conseguita ha
modificato, fra luci e ombre, i rapporti economici,
sociali e politici, influenzando perfino i valori etici e
morali.
L’INTRODUZIONE di NUOVI MATERIALI
dalla PREISTORIA ad OGGI
ETA’ della PIETRA
9000 a.c.
Fibre Vegetali
7000-6000 a.c. Mattoni di fango essiccati – Terracotta
5000-3000 a.c. Canapa - Smalti Vetrosi
2500 a.c.
Seta





ETA’ del
2000
a.c.
1500-500 a.c.
BRONZO
Fusione del Vetro
Ceramica - Mattoni smaltati
ETA’ del
0
100
FERRO
Carta
d.c.
Rivestimenti in Piombo
600-1700
Porcellana Cinese – Porcellana di Meissen
1800
Gomma/Acciaio/Cemento/Celluloide
1900
Seta artificiale/ Gomma sintetica/Bakelite
ETA’ del
1950
SILICIO
Semiconduttori
Materie Plastiche/Fibre sintetiche (Nylon)
Superconduttori (alta Tc), Leghe Metalliche, Cristalli
Liquidi

2000
Nanotecnologie
Semiconduttori Nanostrutturati (Atomi artificiali)
Elettronica Molecolare
Il ruolo determinante della Ricerca
Solide conoscenze dei fenomeni con metodo scientifico
Ruolo fondante della Fisica e della Chimica
Sviluppo di materiali, tecnologie e processi
RICERCA
SCOPERTA
UTILIZZAZIONE
MIGLIORAMENTO
INGEGNERIZZAZIONE
Applicazioni
MEDICINA, SPORT,
AMBIENTE, ELETTRONICA,
INFORMATICA, TRASPORTI,
COMUNICAZIONI, ECC.
Università





Industria
Era GRECO-ROMANA
Epistème: Conoscenza-Vverità
Tèchne: Produzione-Utilità
MEDIOEVO: Disprezzo per la Scienza (distrazione per la cura della
salvezza dell’anima)
RINASCIMENTO: Arti Meccaniche (Utilità)
Arti Liberali (Bellezza)
1600 RIVOLUZIONE SCIENTIFICA (Galileo, Cartesio, Newton)
1700-1800 RIVOLUZIONE INDUSTRIALE
La SCIENZA dei
MATERIALI
La Rivoluzione Elettronica
1950-2000
L’Era del Silicio:
Il Monte Cervino: quanto Silicio è contenuto
nella roccia di una sola montagna!
 Dalla VALVOLA TERMOIONICA al
TRANSISTOR ai CIRCUITI INTEGRATI
 Nascono la MICROELETTRONICA e
l’era del COMPUTER
Gli elementi più abbondanti
della crosta terrestre: il silicio è
4 volte più diffuso dell’alluminio
e 10 volte più del ferro.
Le Tecnologie dell’Informazione: dal regolo
calcolatore al computer
1643 Pascalina
1853 Calcolatrice
Meccanica Scheutz
1946- ENIAC: il primo
computer 30 tonnellate 17000
valvole
 8 bit = 1 byte
 1024 byte =1 Kbyte
 1 Milione di byte= 1 Mbyte
Scheda perforata, 100 byte, 4 gr
 1Miliardo di byte=1 Gbyte
1.44 Mbyte
650 Mbyte
10 Gbyte
20 TIR da 20 tonnellate!
La Fotonica: dai cavi elettrici alle fibre ottiche
Possibilità di generazione, rivelazione, elaborazione di segnali
ottici per comunicazioni
Multiplex per la gestione di differenti
input/output ottici
Telefono, radio e TV: grandezze elettriche variabili nel tempo
(segnali analogici).
Nuova era delle comunicazioni ottiche: il LASER (1958).
Elettronica dello stato solido + Tecnologia delle fibre ottiche:
sistemi di trasmissione in cui ad impulsi di luce è associata la
logica binaria (segnali digitali).
SEMPRE PIU’ PICCOLO: dal Transistor di
SBB alla VLSI
Il primo
transistor (1947)
Bardeen, Brattain, Shockley
“1975 - Il numero di transistor (e quindi la
potenza di calcolo) raddoppia ogni 18 – 24 mesi”
Lo “SCALING-DOWN” limitato
da problemi di natura fisica
tecnologica
Oltre la legge di Moore?
Produzione dei nanotransistor Intel
• Miniaturizzazione molto costosa sotto i 50 nm
• Silicio poco adatto ad “elettronica veloce” (TeraHz)
• Silicio limitato nei dispositivi fotonici
Necessario un salto di qualità scientifico e tecnologico:
verso i nano computer?
Le industrie investono sulla
rivoluzione delle
nanotecnologie, segnando
l’ingresso in un mondo nuovo
Richard Feynman:
il Padre della Nanotecnologia
Il 29 dicembre 1959 Feynman tenne un
famoso discorso:
"Ciò di cui voglio parlare è il problema di
manipolare e controllare le cose su una piccola
scala. […] Ma non mi spaventa affrontare
anche la questione finale, cioè se - in un
lontano futuro - potremo sistemare gli atomi
nel modo in cui vogliamo; proprio i singoli
atomi, al fondo della scala! […] Per quanto ne
so, i principi della fisica non impediscono di
manipolare le cose atomo per atomo. Non è un
tentativo di violare alcuna legge; è qualcosa
che in principio può essere fatto, ma in pratica
non è successo perché siamo troppo grandi“.
35 atomi di xenon
1959 R. Feyman prevede la nascita della nanotecnologia
1974 Primo dispositivo elettronico molecolare brevettato (IBM)
1985 Scoperta dei fullereni
1986 Invenzione del microscopia ad effetto tunnel (IBM-Zurigo)
1988 La Dupont progetta la prima proteina artificiale
1989 D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon
1991 S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio
1993 Nasce alla Rice University (USA) il primo laboratorio di Nanotecnologie
2001 IBM e Università di Delft (NL) creano il primo circuito logico a base di
nanotubi
2002 Cornell University (NY) realizza il primo nanomotore
2003 USA stanziano 3.7 MLD di $ in 4 anni per la ricerca
Nanotecnologie
1 nm = 1 miliardesimo di metro
Aree della Scienza e della tecnologia
relative a MATERIALI e STRUTTURE
con dimensioni fino a 100 nanometri
Quantum Corral
(Atomi di Fe su Cu)
Con nanoparticelle inserite in un altro materiale si ottengono
nuove proprietà elettroniche, ottiche, meccaniche, termiche, ecc.
Punti quantici
Cristalli Fotonici
Nanoceramiche
in polimeri
Aerogel
Nanotubi di carbonio
Nanotubi di
carbonio
Molecola di Fullerene (C60)
I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni che
consistono di cilindri di grafene. Furono scoperti nel 1991 da S.
Iijima quasi per caso, durante la sintesi di fullereni per evaporazione
ad arco.
A cosa serviranno i nanotubi?
Nanocircuito (IBM)
Proprietà
Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli)
Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaio
Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio
Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del
rame
Stabilità: resistono fino a 2800°C
Costi: 150 volte più dell’oro
Future applicazioni
Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte
più piccoli di quelli attuali
Sonde chimiche: per scansionare le molecole
Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani
Nanopinze: per afferrare le molecole
Nanobilance: per pesare gli atomi
Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno
Un transistor 20 mila volte più
sottile di un capello: le sfide della nanoelettronica
ORO
MOLECOLA
SiO2
ORO
NANOTRANSISTOR NEC: 5
nm (18 volte più piccolo di
quelli ora in produzione)
Piridina + Co + S
Nel 2001 si credeva che si sarebbe
scesi sotto i 9 nm solo nel 2016!
1 cm2 di silicio potrà ospitare 40 miliardi di nanotransistor, 150
volte più del numero attuale. Un cellulare avrà 60 ore di
autonomia.
DNA Computer
Le molecole di DNA hanno enormi potenzialità di calcolo. Il DNA
potrebbe un giorno essere integrato in un chip per realizzare un
velocissimo “biochip” da inserire in un nanocomputer.
L. Adleman (University of
Southern California) nel 1994
propose di usare il DNA per
risolvere il problema
del
“venditore ambulante”.
Adleman riuscì ad isolare le molecole associate solo ai percorsi
più brevi che connettevano le città del venditore, ma ci
volevano molti giorni per la risposta e l’intervento dell’uomo…
1997 - Porte logiche di DNA (Univ. di Rochester): convertono codici
binari in una serie di segnali che il computer usa per eseguire operazioni.
Le porte rivelano frammenti di input di materiali genetici, combinano
questi frammenti e formano un singolo output.
Più di 10 mila miliardi di molecole di DNA possono essere accomodate in
1 cm3 di spazio, con le quali si potranno gestire miliardi di byte e fare
1012 calcoli al secondo, in modalità di calcolo parallelo.
Spintronica e Computer Quantistico
Oltre alle proprietà elettriche dell’elettrone si
sfruttano anche quelle magnetiche: il loro “spin”.
Esistono già hard disk con testine “spin valve”
che, grazie a enormi resistenze magnetiche,
possono leggere domini magnetici piccolissimi,
quindi immagazzinare dati con grande densità.
I compuer quantistici codificheranno informazioni
come qubits. 1, 0 o simultanea sovrapposizione di
0 e 1. Un tale computer sarà miliardi di volte più
potente degli attuali supercomputer.
Nano-biotecnologie
Nano bio sensori
Capaci di riconoscere specifiche
sequenze di Dna e di mutazioni
genetiche. Forniranno strumenti per
rilevare precocemente i tumori e per
mettere a punto nuovi farmaci.
Chip neuronali
Neurone a lumaca cresciuto dal Max
Planck Institute su un dispositivo CMOS
della Infineon Technologies che misura
l’attività elettrica neuronale accoppiando
chip elettronici e cellule viventi
Assemblaggio molecolare
Oak Ridge Nat. Lab.
Nanoingranaggi
Nanomotore molecolare
Appositi nanoassemblatori, arrangeranno gli atomi per costruire una
struttura macroscopica. Migliaia di miliardi di assemblatori occuperanno
un’area più piccola di 1 mm2 e saranno ancora invisibili ad occhio nudo. Il loro
lavoro abbatterà i costi di produzione, fornendo abbondanti merci, più
resistenti ed economiche.
Dal bisturi ai nanorobot
Un futuro nanorobot
inietta farmaci in una
cellula cancerogena o
modifica le molecole di un
virus.
Oggi i più piccoli robot
sono grandi qualche cm.
I nanorobot potranno rallentare il processo di invecchiamento
ed essere programmati per eseguire delicati interventi chirurgici
– migliaia di volte più precisi del più affilato bisturi - senza
lasciare cicatrici.
TERAPIA GENICA
NANOFARMACI
I Nanorobot e l’ambiente
Costruire con le nanotecnologie (metodo
“bottom-up”, opposto al “top-down”) crea
anche meno inquinamento dei metodi
convenzionali.
Metano, CH4
Disastro ambientale della Exxon
Valdez in Alaska: 37000 tonnellate di
petrolio nel mare
La nanotecnologia avrà effetti positivi
sull’ambiente:
nanorobot volanti potrebbero ricostruire
lo strato di ozono assottigliato; i
contaminanti sarebbero
automaticamente rimossi dalle sorgenti
di acqua e le perdite di petrolio
istantaneamente ripulite.
Come cambierà la nostra vita
Pneumatici: nanoparticelle nelle
mescole – 5 anni
Celle solari: in materiale flessibile –
10 anni
Vernici luminose a base di LED
organici – 10 anni
TV: a cristalli fotonici – 10 anni
Vetri: schermi a display – 15 anni
Tessuti: cangianti e impermeabili a
richiesta – 20 anni
Nanocomputer quantistico: grande
come un palmare – 30 anni
Assemblatori: 50-100 anni
SCIENZA e TECNOLOGIA:
finalmente in stretta sinergia?
FISICA:
Z. I.Alferov-H.Kromer-J.S.Kilby
Per i Circuiti Integrati
CHIMICA:J. Heeger-A. G. MacDiarmid-H.
Shirakawa
Per i Polimeri Conduttori
NOBEL
2000
FISICA:
Alexei A. Abrikosov
Vitaly L. Ginzburg
Anthony J. Leggett
NOBEL
2003
Per la teoria dei superconduttori e
superfluidi
La Scienza e la Tecnologia dei Nuovi Materiali
nell’area scientifica del Campus di Parma
Nei laboratori Universitari (Dip. di Fisica, Chimici, di
Tecnologia dell’Informazione), e del CNR (Istituto dei
Materiali per l’Elettronica ed il Magnetismo) si è
consolidata un’ attività di ricerca riconosciuta anche in
campo internazionale.
Fra le 12 Università Italiane (AQ,BA,CA,CS,GE,MI,RM,PD,PI,VC,TO)
che, in ambito scientifico, sono sedi di Corsi di studio in STM, Parma
si distingue per offrire un percorso formativo completo dalla Laurea
di I livello al Dottorato di Ricerca.
Il Campus di Parma
L’ istituzione del Corso di Laurea risale al 1997
 Nel Novembre 2002 sono state conferite le prime lauree in Scienza dei Materiali
Nel Novembre 2003 la prima laurea di I livello in Scienza e Tecnologia dei Materiali
La Scienza dei Materiali a Parma: qualche esempio
Deposizione epitassiale di semiconduttori per micro ed optoelettronica
Strutture multistrato
effetti quantistici
ad
Celle solari ad elevata efficienza
USO TERRESTRE
Struttura di una cella solare
a giunzione multipla
USO SPAZIALE
Preparazione e studio di Fullereni
(NH3)xNaK2C60
(superconduttore)
Struttura di
Li15C60
Nanostrutture per applicazioni fotoniche,
catalitiche e sensoristiche
Nanosfere di polistirene
Nanosfere di TiO2
Opale sintetico
La Scienza dei Materiali è per sua natura
una scienza interdisciplinare, in cui gli
strumenti fisici, chimici e
matematici
vengono utilizzati in modo sinergico,
superando i limiti delle singole discipline.
La figura professionale risultante, in grado
di “disegnare” la natura “atomo per
atomo”, copre un ruolo determinante per
lo sviluppo e le applicazioni delle nuove
tecnologie.
Per chi volesse
proseguire e
perfezionare i suoi studi, il corso di
Laurea Magistrale e il Dottorato di
ricerca in “Scienza e Tecnologia dei
Materiali Innovativi” rappresentano il
naturale proseguimento del corso di
laurea di primo livello.
Ambiti Professionali del
Innovazione e sviluppo della produzione di nuovi materiali
Progettazione, pianificazione della gestione di sistemi
complessi
Qualificazione e diagnostica dei materiali
Tra gli sbocchi professionali possibili:
•
•
•
•
•
Piccole e medie aziende attive nel settore delle tecnologie
avanzate
Società di progettazione, costruzione
e/o vendita di
strumentazioni scientifiche innovative
Laboratori di ricerca e sviluppo di Istituzioni pubbliche o
private
Laboratori di prove, controllo, certificazione pubblici o
privati
Insegnamento e formazione nel settore della Scienza e
Tecnologia dei nuovi materiali
In alternativa
I laureati in STMI (dopo la laurea magistrale) potranno
perfezionare la loro specializzazione presso Laboratori e
Università di altri paesi, anche nell’ambito di progetti e
accordi internazionali (Socrates, mobilità dei ricercatori, ecc.),
tramite corsi di MASTER e di Dottorato di Ricerca e/o avviarsi
al mondo della ricerca e dell'insegnamento accademico.
I Percorsi Formativi in Scienza e Tecnologia
dei Materiali a Parma
http://stm.unipr.it
Corso di Laurea (triennale) in
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Corso di Laurea Magistrale (biennale) in
Scienza e Tecnologia dei Materiali Innovativi
Corso di Dottorato di Ricerca (triennale) in
Scienza e Tecnologia dei Materiali Innovativi
NOTA
Questa presentazione ha scopo puramente didattico.
Gli autori sono comunque a disposizione per eventuali
rettifiche o rimozione di materiale legato a Copyright.
NOTICE
This presentation is for didactic purpose only.
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