La scienza, l’ingegneria e la tecnologia alla scala nano sono campi di ricerca nei quali avvengono manipolazioni della materia a livello atomico, molecolare e supramolecolare, al fine di ottenere materiali e sistemi con caratteristiche significativamente migliorate.
Per avere una idea dimensionale, si pensi che 10 nanometri corrispondono ad un millesimo del diametro di un capello umano.
Le caratteristiche delle nanostrutture, specie a livello elettronico e magnetico, sono spesso significativamente diverse da quelle dello stesso materiale a livello di massa.
Le nanostrutture possono essere definite come uno stato unico della materia, particolarmente promettente per prodotti nuovi e di enorme utilità.
Per questo motivo, le nanostrutture sono divenute un tema di ricerca transdisciplinare, dalla elettronica alla chimica, dalla fisica della materia alle scienze dei materiali, passando per la biologia molecolare.
La capacità di integrare nanostrutture organiche ed inorganiche rappresenta la premessa per una nuova generazione di composti avanzati.
Svariati sono i campi di applicazione delle nanotecnologie, dai materiali industriali alla tecnologia militare (dual-use technology) passando per l’ambito medico-sanitario e farmaceutico.
L’impatto delle nanotecnologie è di portata epocale nel segmento industriale, dal tessile al costruttivo, dal manifatturiero all’aerospaziale, dall’entertainment all’anti-infortunistica, non esistono settori industriali che non siano stati toccati e rivoluzionati dalle nanotecnologie.
Nel mondo dei beni di consumo, sono moltissimi i beni già commercializzati che incorporano nanomateriali e nanoparticelle, prodotti con caratteristiche uniche che variano dalla resistenza agli urti ed ai graffi alla facilità di pulizia.
Paraurti negli autoveicoli resi estremamente leggeri e resistenti, tessuti da abbigliamento con proprietà di repellenza antimacchia, filtri solari più resistenti alle radiazioni, ossa sintetiche più forti, l’elenco delle applicazioni già impiegate nel quotidiano è smisurato.
Applicazioni medico-sanitarie
La nanomedicina in particolare, è stata definita dalla European Science Foundation come “la scienza e tecnologia della diagnosi, trattamento e prevenzione delle patologie e delle lesioni traumatiche, della algologia (mitigazione del dolore), della preservazione e del miglioramento della salute umana, tramite l’utilizzo di strumenti molecolari e della conoscenza molecolare del corpo umano.”
Le cinque sottodiscipline di cui si compone la nanomedicina sono: nanomateriali e apparecchiature, nanoimaging e strumenti analitici, novel therapeutics e drug delivery systems, tossicologia ed applicazione clinica.
Le nanotecnologie si collocano ad un livello in cui sfuma il confine tra organico e non organico, alla convergenza tra biologico e fisico.
Diviene dunque incerta la separazione tra le Life Sciences e le altre scienze fisiche, caratteristica realmente unica ed identificativa di quella che viene comunemente definita come Quarta Rivoluzione Industriale.
Applicazioni Agroalimentari
Uno dei campi di applicazione più critici delle nanotecnologie è senz’altro quello legato all’industria agroalimentare.
L’agricoltura fornisce cibo per l’uomo sia direttamente che indirettamente, tuttavia in ragione del preoccupante trend di crescita demografica mondiale e della correlata problematica della sicurezza alimentare, sarà necessario utilizzare le moderne nanotecnologie e biotecnologie nelle scienze agricole.
Sono svariate le applicazioni in tutte le fasi di produzione, trasformazione, conservazione, confezionamento e trasporto di prodotti agricoli: la nanotecnologia sta rivoluzionando l’agricoltura e l’industria alimentare per novazione, tramite tecniche di agricoltura di precisione, miglioramento della capacità di assorbimento dei nutrienti da parte delle piante, utilizzo più efficiente e targettizzato degli input, individuazione e controllo di patologie e parassiti, resistenza alle pressioni ambientali (stress idrico,stress salino,stress termico,etc.) , sistemi evoluti di lavorazione stoccaggio e confezionamento e molto altro.
L’efficienza dei prodotti fitosanitari e veterinari nella zootecnia aumenta notevolmente tramite l’utilizzo di nanoparticelle nelle scienze animali.
Ad esempio nanoparticelle di argento e ferro sono utilizzate nel trattamento e nella disinfezione di bestiame e pollame.
Anche i livelli di inquinamento ambientale possono essere monitorati in maniera efficiente ed efficace tramite nanosensori “intelligenti” a base di polveri (smartdust).
Sulle base degli attuali trend di crescita, il numero dei prodotti e dei lavoratori legati al segmento nanotecnologico raddoppia ogni due anni, con una previsione di circa 3.000 miliardi di dollari in volume d’affari e 6.000.000 di posti di lavoro entro il 2020.
Come già anticipato, le nanotecnologie non hanno solo applicazione esclusiva nel mondo agroalimentare e va sottolineato che -ad oggi- i rischi ambientali e sulla salute umana a questo fenomeno sono ancora incerti e servono maggiori studi.
La Commissione Europea nel 2013 ha finalmente proposto un’eventuale revisione delle normative comunitarie per adattarle al fenomeno nanotecnologico, una delle normative da revisionare potrebbe essere quella sulle sostanze chimiche, la REACH.
Applicazioni Ambientali
Le nanotecnologie ricoprono un ruolo altrettanto critico dal punto di vista delle applicazioni ambientali.
Dallo sviluppo di sistemi di manifattura innovativa e sostituzione degli attuali impianti ed attrezzature esistenti, alla creazione di materiali e sostanze chimiche con prestazioni migliorate, l’obiettivo è quello di consentire un minor consumo di energia e materiali e la riduzione dei danni all’ambiente, nonché risanamento e bonifica ambientale tramite la c.d nanoremediation.
Le applicazioni ambientali delle nanotecnologie affrontano lo sviluppo di soluzioni agli attuali problemi ambientali, misure preventive per i problemi futuri derivanti dalle interazioni di energia e materiali con l’ambiente e qualsiasi possibile rischio che possa essere posto dalle nanotecnologie stesse.
Energy
Anche il segmento dell’energia ha subito una totale rivoluzione a seguito della introduzione delle nanotecnologie.
Il miglioramento dell’uso delle fonti energetiche tradizionali (ad es. i nanomateriali strutturati utilizzati come catalizzatori per i processi di produzione e raffinazione dei combustibili fossili) e ancor più l’efficientamento delle fonti energetiche alternative (le rinnovabili in primis) è uno dei fattori chiave per il raggiungimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile.
Le nanotecnologie costituiscono l’elemento imprescindibile in questo percorso di cambiamento, tramite la applicazione della progettazione “top-down” e “bottom-up” nella realizzazione di sistemi di conversione dell’energia.
La produzione di energia rappresenta in realtà un insieme di processi chimici e fisici, volti a consentire la conversione di energia (e.g. luminosa nel solare e cinetica nell’eolico) iniziale in energia elettrica.
Si parla pertanto di dispositivi per la conversione di energia (sistemi di generazione e sistemi di immagazzinamento) come ad esempio avviene con le batterie, in cui l’energia elettrica viene convertita in energia potenziale, poi accumulata nei legami chimici che si formano nella carica della batteria, infine rilasciata come energia elettrica all’utilizzo.
Per il miglioramento dell’efficienza energetica l’apporto dei materiali nanostrutturati è critico, consentendo di offrire nuove proprietà utili nei vari processi, dalla produzione alla distribuzione di energia (ad es. i nanotubi di carbonio) sino alla riduzione dei consumi, passando così dall’attuale sistema di produzione centralizzata di energia (grandi quantità di energia in pochi punti selezionati) alla produzione e gestione localizzata.
Applicazioni ICT e Nanoelettronica
Altro segmento di primaria importanza delle applicazioni nanotecnologiche è quello relativo alla nanoelettronica, vera forza propulsiva delle nanoscienze, volta alla miniaturizzazione dei dispositivi di Information and Communication Technology.
Ad oggi le aree di maggiore applicazione della nanoelettronica sono quelle della sensoristica, dei dispositivi di memoria e dei semiconduttori.
La nanoelettronica è considerata una tecnologia “disruptive”, in quanto estremamente differente ed innovativa rispetto ai tradizionali modelli di transistors.
Per questo motivo, la nanoelettronica e la microelettronica sono state inserite nell’elenco europeo delle KET (Key Enabling Technologies), vale a dire Tecnologie Abilitanti, elemento critico per lo sviluppo economico ed industriale, la crescita occupazionale ed il progresso sociale verso un modello di economia sostenibile e verde.
Nanomateriali
Si segnala infine un’altra affascinante branca delle nanotecnologie, quella dei nanomateriali, ad una, due e tre dimensioni.
In realtà la filiera dei nanomateriali è trasversale rispetto a tutti i settori applicativi delle nanotecnologie, dall’healthcare alla cosmetica passando per l’elettronica e l’aerospaziale, le proprietà fisico-chimiche dei nanomateriali sono uniche e proprio per questo motivo richiedono una valutazione del rischio specialistica, onde prevenirne gli impatti su lavoratori, consumatori e ambiente.
Attualmente la valutazione è condotta su base casistica, ma a partire dal 2012, a livello comunitario è stato creato il gruppo di esperti sui nanomateriali (ECHA-NMEG) che opera tramite il supporto operativo delle istituzioni competenti in materia di REACH, CLP e biocidi.
Pur qualificandosi come gruppo consultivo informale, sostiene l’implementazione del piano di lavoro sui nanomateriali 2016-2018 della Agenzia Europea per le sostanze chimiche ed è organo consultivo in materia di questioni tecnico/scientifiche relative all’applicazione dei regolamenti REACH, CLP e sui biocidi in materia di nanomateriali.
All’inquadramento normativo dei nanomateriali abbiamo dedicato una apposita sezione del sito che è consultabile a questo link.