Questa timeline presenta esempi premoderni di nanotecnologia, così come scoperte dell’era moderna e pietre miliari nel campo della nanotecnologia.
Esempi premoderni di nanotecnologie
I primi esempi di materiali nanostrutturati erano basati sulla comprensione empirica e sulla manipolazione dei materiali da parte degli artigiani. L’uso di calore elevato era un passo comune nei loro processi per produrre questi materiali con nuove proprietà.
La Coppa di Licurgo al British Museum, illuminata dall’esterno (sinistra) e dall’interno (destra)
4° secolo: La coppa di Licurgo (Roma) è un esempio di vetro dicroico; l’oro colloidale e l’argento nel vetro gli permettono di apparire verde opaco quando è illuminato dall’esterno ma rosso traslucido quando la luce brilla attraverso l’interno. (Immagini a sinistra.)
Coppa in lustreware policromo, IX secolo, Iraq, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)
9°-17° secolo: Smalti ceramici brillanti e scintillanti usati nel mondo islamico, e più tardi in Europa, contenevano argento o rame o altre nanoparticelle metalliche. (Immagine a destra.)
Il rosone sud della cattedrale di Notre Dame, 1250 circa
6°-15° secolo: Le vetrate vibranti delle cattedrali europee dovevano i loro ricchi colori a nanoparticelle di cloruro d’oro e altri ossidi e cloruri di metallo; le nanoparticelle d’oro hanno anche agito come purificatori d’aria fotocatalitici. (Immagine a sinistra.)
13°-18° secolo: Le lame di sciabola “Damasco” contenevano nanotubi di carbonio e nanofili di cementite – una formulazione di acciaio ad altissimo contenuto di carbonio che dava loro forza, resilienza, la capacità di mantenere un bordo tagliente, e un motivo moiré visibile nell’acciaio che dà alle lame il loro nome. (Immagini sotto.)
 |
 |
| (A sinistra) Una sciabola Damasco (foto di Tina Fineberg per The New York Times). (Destra) Immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione di nanotubi di carbonio in una vera sciabola di Damasco dopo la dissoluzione in acido cloridrico, che mostra resti di nanofili di cementite incapsulati da nanotubi di carbonio (barra della scala, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Esempi di scoperte e sviluppi che permettono la nanotecnologia nell’era moderna
Si basano su una comprensione scientifica e una strumentazione sempre più sofisticate, oltre che sulla sperimentazione.
Colloide d’oro “rubino” (Gold Bulletin 2007 40,4, p. 267)
1857: Michael Faraday scopre l’oro colloidale “rubino”, dimostrando che l’oro nanostrutturato in certe condizioni di luce produce soluzioni di colore diverso.
1936: Erwin Müller, lavorando al Siemens Research Laboratory, inventa il microscopio a emissione di campo, che permette di ottenere immagini a risoluzione quasi atomica dei materiali.
1947: John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain ai Bell Labs scoprono il transistor a semiconduttore e ampliano notevolmente la conoscenza scientifica delle interfacce dei semiconduttori, gettando le basi per i dispositivi elettronici e l’era dell’informazione.
1947 transistor, Bell Labs
1950: Victor La Mer e Robert Dinegar sviluppano la teoria e un processo per la crescita di materiali colloidali monodispersi. La capacità controllata di fabbricare colloidi permette una miriade di usi industriali come carte specializzate, vernici e film sottili, persino trattamenti di dialisi.
1951: Erwin Müller è il pioniere del microscopio a ioni di campo, un mezzo per visualizzare la disposizione degli atomi sulla superficie di una punta metallica affilata; per primo ha visualizzato gli atomi di tungsteno.
1956: Arthur von Hippel al MIT introduce molti concetti di – e conia il termine – “ingegneria molecolare” applicata a dielettrici, ferroelettrici e piezoelettrici
Jack Kilby, circa 1960.
1958: Jack Kilby della Texas Instruments ha originato il concetto, progettato e costruito il primo circuito integrato, per il quale ha ricevuto il premio Nobel nel 2000. (Immagine a sinistra.)
Richard Feynman (archivi Caltech)
1959: Richard Feynman del California Institute of Technology tenne quella che è considerata la prima conferenza sulla tecnologia e l’ingegneria su scala atomica, “There’s Plenty of Room at the Bottom” ad una riunione della American Physical Society al Caltech. (Immagine a destra.)
Il primo grafico pubblico di Moore che mostra la sua visione dell’industria dei semiconduttori in grado di “stipare più componenti sui circuiti integrati”
1965: Gordon Moore, cofondatore di Intel, descrisse sulla rivista Electronics diverse tendenze che prevedeva nel campo dell’elettronica. Una tendenza ora conosciuta come “Legge di Moore”, descriveva la densità dei transistor su un chip integrato (IC) che raddoppiava ogni 12 mesi (successivamente modificata in ogni 2 anni). Moore ha anche visto le dimensioni e i costi dei chip ridursi con la loro crescente funzionalità – con un effetto di trasformazione sui modi in cui le persone vivono e lavorano. Il fatto che la tendenza di base immaginata da Moore sia continuata per 50 anni è in gran parte dovuto alla crescente dipendenza dell’industria dei semiconduttori dalla nanotecnologia, dato che i circuiti integrati e i transistor si sono avvicinati alle dimensioni atomiche.1974: Il professore della Tokyo Science University Norio Taniguchi conia il termine nanotecnologia per descrivere la lavorazione di precisione dei materiali con tolleranze dimensionali su scala atomica. (Vedi grafico a sinistra.)
1981: Gerd Binnig e Heinrich Rohrer del laboratorio IBM di Zurigo inventano il microscopio a scansione a tunnel, permettendo agli scienziati di “vedere” (creare immagini spaziali dirette) i singoli atomi per la prima volta. Binnig e Rohrer hanno vinto il premio Nobel per questa scoperta nel 1986.
1981: Il russo Alexei Ekimov scopre i punti quantici nanocristallini e semiconduttori in una matrice di vetro e conduce studi pionieristici sulle loro proprietà elettroniche e ottiche.
1985: I ricercatori della Rice University Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl e Richard Smalley scoprono il Buckminsterfullerene (C60), più comunemente noto come buckyball, che è una molecola di forma simile a un pallone da calcio e composta interamente di carbonio, come la grafite e il diamante. Il team ha ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 1996 per il suo ruolo in questa scoperta e in quella della classe di molecole fullerene più in generale. (Rappresentazione artistica a destra.)
1985: Louis Brus dei Bell Labs scopre i nanocristalli semiconduttori colloidali (punti quantici), per i quali condivide il Premio Kavli 2008 in Nanotecnologia.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber inventano il microscopio a forza atomica, che ha la capacità di visualizzare, misurare e manipolare materiali fino a frazioni di nanometro, compresa la misurazione di varie forze intrinseche ai nanomateriali.
1989: Don Eigler e Erhard Schweizer all’IBM’s Almaden Research Center hanno manipolato 35 singoli atomi di xeno per comporre il logo IBM. Questa dimostrazione della capacità di manipolare con precisione gli atomi ha inaugurato l’uso applicato della nanotecnologia. (Immagine a sinistra.)
anni ’90: Le prime compagnie di nanotecnologia cominciarono ad operare, per esempio, Nanophase Technologies nel 1989, Helix Energy Solutions Group nel 1990, Zyvex nel 1997, Nano-Tex nel 1998….
1991: Sumio Iijima della NEC è accreditato per la scoperta del nanotubo di carbonio (CNT), sebbene ci siano state le prime osservazioni di strutture tubolari di carbonio anche da altri. Iijima ha condiviso il Premio Kavli in Nanoscienza nel 2008 per questo e altri progressi nel campo. I CNT, come i buckyball, sono interamente composti da carbonio, ma in forma tubolare. Esibiscono proprietà straordinarie in termini di forza, conducibilità elettrica e termica, tra gli altri. (Immagine sotto.)
 |
 |
 |
| Nanotubi di carbonio (cortesia, National Science Foundation). Le proprietà dei CNT sono state esplorate per applicazioni in elettronica, fotonica, tessuti multifunzionali, biologia (per esempio, come impalcatura per far crescere cellule ossee), e comunicazioni. Vedi un articolo del Discovery Magazine del 2009 per altri esempi | Micrografia SEM di “carta” di nanotubi purificata in cui i nanotubi sono le fibre (barra della scala, 0,001 mm) (per gentile concessione della NASA). | Un array di nanotubi di carbonio allineati, che possono agire come un’antenna radio per rilevare la luce a lunghezze d’onda visibili (barra di scala 0,001 mm) (per gentile concessione di K. Kempa, Boston College). |
1992: C.T. Kresge e colleghi della Mobil Oil scoprono i materiali catalitici nanostrutturati MCM-41 e MCM-48, ora utilizzati pesantemente nella raffinazione del petrolio greggio così come per la somministrazione di farmaci, il trattamento dell’acqua e altre varie applicazioni.
 |
 |
| MCM-41 è un nanomateriale di silice a “setaccio molecolare mesoporoso” con una disposizione esagonale o “a nido d’ape” dei suoi pori cilindrici dritti, come mostrato in questa immagine TEM (per gentile concessione di Thomas Pauly, Michigan State University). | Questa immagine TEM di MCM-41 guarda i pori cilindrici dritti perpendicolari all’asse di osservazione (per gentile concessione di Thomas Pauly, Michigan State University). |
1993: Moungi Bawendi del MIT inventa un metodo per la sintesi controllata di nanocristalli (punti quantici), aprendo la strada ad applicazioni che vanno dal calcolo alla biologia al fotovoltaico ad alta efficienza e all’illuminazione. Nel corso degli anni successivi, il lavoro di altri ricercatori come Louis Brus e Chris Murray ha anche contribuito ai metodi per sintetizzare i punti quantici.
1998: L’Interagency Working Group on Nanotechnology (IWGN) è stato formato sotto il National Science and Technology Council per indagare lo stato dell’arte nella scienza e nella tecnologia della nanoscala e per prevedere possibili sviluppi futuri. Lo studio e il rapporto dell’IWGN, Nanotechnology Research Directions: Vision for the Next Decade (1999) ha definito la visione e ha portato direttamente alla formazione della U.S. National Nanotechnology Initiative nel 2000.
1999: I ricercatori della Cornell University Wilson Ho e Hyojune Lee hanno sondato i segreti del legame chimico assemblando una molecola da componenti costituenti con un microscopio a scansione a tunnel. (Immagine a sinistra.)
1999: Chad Mirkin della Northwestern University inventa la nanolitografia dip-pen® (DPN®), che porta alla “scrittura” producibile e riproducibile di circuiti elettronici e alla modellazione di biomateriali per la ricerca in biologia cellulare, la nano-crittografia e altre applicazioni. (Immagine in basso a destra.)
Uso del DPN per depositare biomateriali ©2010 Nanoink
1999-inizio anni 2000: I prodotti di consumo che fanno uso della nanotecnologia cominciano ad apparire sul mercato, compresi i paraurti delle automobili leggeri abilitati dalla nanotecnologia che resistono alle ammaccature e ai graffi, le palle da golf che volano più dritte, le racchette da tennis che sono più rigide (quindi la palla rimbalza più velocemente), le mazze da baseball con una migliore flessione e “calcio”,”calzini antibatterici in nano-argento, creme solari trasparenti, vestiti resistenti alle rughe e alle macchie, cosmetici terapeutici che penetrano in profondità, rivestimenti in vetro antigraffio, batterie a ricarica più rapida per utensili elettrici senza fili e display migliorati per televisori, telefoni cellulari e fotocamere digitali.
2000: Il presidente Clinton lancia la National Nanotechnology Initiative (NNI) per coordinare gli sforzi federali di R&D e promuovere la competitività degli Stati Uniti nella nanotecnologia. Il Congresso ha finanziato la NNI per la prima volta nel FY2001. Il sottocomitato NSET del NSTC è stato designato come il gruppo interagenzia responsabile del coordinamento del NNI.
2003: Il Congresso ha promulgato il 21st Century Nanotechnology Research and Development Act (P.L. 108-153). L’atto ha fornito una base legale per la NNI, ha stabilito programmi, assegnato responsabilità all’agenzia, autorizzato livelli di finanziamento e promosso la ricerca per affrontare questioni chiave.
Simulazione al computer della crescita di nanoshell d’oro con nucleo di silice e strato superiore d’oro (cortesia N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek, e Renata Pasqualin alla Rice University hanno sviluppato nanoshells d’oro, che quando sono “sintonizzati” nelle dimensioni per assorbire la luce nel vicino infrarosso, servono come piattaforma per la scoperta integrata, la diagnosi e il trattamento del cancro al seno senza biopsie invasive, chirurgia, o radiazioni o chemioterapia distruttiva a livello sistemico.2004: La Commissione europea ha adottato la comunicazione “Verso una strategia europea per le nanotecnologie”, COM(2004) 338, che ha proposto di istituzionalizzare gli sforzi europei in materia di nanoscienza e R&D all’interno di una strategia integrata e responsabile, e che ha stimolato piani d’azione europei e finanziamenti in corso per la R&D nanotecnologica. (Immagine a sinistra.)
2004: La Royal Society britannica e la Royal Academy of Engineering hanno pubblicato Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunità e incertezze, sostenendo la necessità di affrontare i potenziali problemi sanitari, ambientali, sociali, etici e normativi associati alla nanotecnologia.
2004: SUNY Albany lancia il primo programma educativo di livello universitario in nanotecnologia negli Stati Uniti, il College of Nanoscale Science and Engineering.
2005: Erik Winfree e Paul Rothemund del California Institute of Technology hanno sviluppato teorie per la computazione basata sul DNA e l'”auto-assemblaggio algoritmico” in cui i calcoli sono incorporati nel processo di crescita dei nanocristalli.
Nanocar con ruote girevoli a buckyball (credito: RSC, 29 marzo 2006).
2006: James Tour e colleghi della Rice University hanno costruito un’auto in nanoscala fatta di oligo(fenilene etilene) con assi alchinilici e quattro ruote sferiche di fullerene C60 (buckyball). In risposta all’aumento della temperatura, la nanocar si è mossa su una superficie d’oro come risultato della rotazione delle ruote buckyball, come in un’auto convenzionale. A temperature superiori ai 300°C si muoveva troppo velocemente perché i chimici potessero tenerne traccia! (Immagine a sinistra.)
2007: Angela Belcher e colleghi del MIT hanno costruito una batteria agli ioni di litio con un comune tipo di virus non dannoso per l’uomo, usando un processo a basso costo e rispettoso dell’ambiente. Le batterie hanno la stessa capacità energetica e le stesse prestazioni di potenza delle batterie ricaricabili allo stato dell’arte considerate per alimentare le auto ibride plug-in, e potrebbero anche essere usate per alimentare dispositivi elettronici personali. (Immagine a destra.)
(Da sinistra a destra) I professori del MIT Yet-Ming Chiang, Angela Belcher, e Paula Hammond mostrano una pellicola carica di virus che può servire come anodo di una batteria. (Foto: Donna Coveney, MIT News.)
2008: È stata pubblicata la prima strategia ufficiale del NNI per la ricerca su ambiente, salute e sicurezza (EHS) legata alle nanotecnologie, basata su un processo biennale di indagini sponsorizzate dal NNI e dialoghi pubblici. Questo documento strategico è stato aggiornato nel 2011, dopo una serie di workshop e di revisioni pubbliche.
2009-2010: Nadrian Seeman e colleghi della New York University hanno creato diversi dispositivi robotici di assemblaggio su scala nanometrica simili al DNA. Uno è un processo per la creazione di strutture 3D di DNA usando sequenze sintetiche di cristalli di DNA che possono essere programmate per auto-assemblarsi usando “estremità appiccicose” e il posizionamento in un ordine e orientamento prestabilito. La nanoelettronica potrebbe beneficiarne: la flessibilità e la densità che i componenti in scala nanometrica 3D permettono potrebbero consentire l’assemblaggio di parti più piccole, più complesse e più strettamente distanziate. Un’altra creazione di Seeman (con i colleghi dell’Università cinese di Nanjing) è una “catena di montaggio del DNA”. Per questo lavoro, Seeman ha condiviso il premio Kavli in Nanoscienza nel 2010.
2010: IBM ha usato una punta di silicio che misura solo pochi nanometri al suo apice (simile alle punte utilizzate nei microscopi a forza atomica) per scalpellare via materiale da un substrato per creare una mappa completa in rilievo 3D su scala nanometrica del mondo, un millesimo della dimensione di un granello di sale, in 2 minuti e 23 secondi. Questa attività ha dimostrato una potente metodologia di patterning per generare modelli e strutture su scala nanometrica di 15 nanometri a costi e complessità notevolmente ridotti, aprendo nuove prospettive per campi come l’elettronica, l’optoelettronica e la medicina. (Immagine sotto.)
Un’immagine renderizzata di una punta di silicio in nanoscala che cesella la più piccola mappa in rilievo del mondo da un substrato di vetro molecolare organico. In primo piano c’è il Mar Mediterraneo e l’Europa. (Immagine per gentile concessione di Advanced Materials.)
2011: Il sottocomitato NSET ha aggiornato sia il piano strategico dell’NNI che la strategia di ricerca su ambiente, salute e sicurezza dell’NNI, attingendo a un ampio input dai workshop pubblici e dal dialogo online con le parti interessate del governo, del mondo accademico, delle ONG, del pubblico e altri.
2012: L’NNI ha lanciato altre due Nanotechnology Signature Initiatives (NSIs)–Nanosensors e Nanotechnology Knowledge Infrastructure (NKI)- portando il totale a cinque NSIs.
2013:
-L’NNI inizia il prossimo ciclo di pianificazione strategica, iniziando con lo Stakeholder Workshop.
-Ricercatori di Stanford sviluppano il primo computer a nanotubi di carbonio.
2014:
-L’NNI rilascia il piano strategico aggiornato del 2014.
-L’NNI rilascia la Progress Review 2014 sull’attuazione coordinata della strategia di ricerca ambientale, sanitaria e di sicurezza dell’NNI 2011.