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20 giugno 2021
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Nanotecnologie: gli studenti del Mattioli-D’Acquisto a confronto con Fabio Di Fonzo

Un interessante viaggio formativo alla scoperta delle tecnologie più avanzate

Un incontro davvero speciale è stato organizzato dalla referente dei PCTO (Percorsi per le Competenze Trasversali e per l’Orientamento) prof.ssa Cespites, in collaborazione con i docenti di scienze Prof.ssa De Bellis e prof. Gambuto dell'istituto Mattioli-D'Acquisto di San Salvo. L’atteso ospite era Fabio Di Fonzo, Ph. D., Technologist e responsabile del gruppo di ricerca “Nanomaterials for Energy and Environment” del Center for Nano Science and Technology dell’Istituto Italiano di Tecnologia. Due ore di formazione per noi ragazzi del Liceo Scientifico, davvero uniche! 

Ho avuto modo di conoscere il dott. Di Fonzo qualche giorno prima, e in questa intervista abbiamo ripercorso il suo curriculum vitae davvero notevole. Dopo la laurea in Ingegneria Meccanica, orientamento Energetico-Idrocarburi al Politecnico di Milano, un Master biennale in Ingegneria Meccanica e Nanotecnologie negli Stati Uniti ed un dottorato di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Nucleare del Politecnico di Milano, ha deciso di proseguire la sua carriera scientifica mettendo assieme la sua passione per le tematiche energetiche ed ambientali con il mondo emergente delle nanotecnologie.

"Le nanoscienze sono lo studio della materia e delle sue proprietà alla scala nanometrica, grosso modo tra 1 e 100 nm, dove  1 nm corrisponde ad un miliardesimo di metro; le nanotecnologie sono un insieme di tecniche volte alla manipolazione e all’uso di queste proprietà per la creazione di nuovi materiali, dispositivi e sistemi non ottenibili con procedimenti meccanici, metallurgici o biotecnologici convenzionali", ci spiega il Dott. Di Fonzo.

Il primo esempio noto di uso intenzionale dei nanomateriali per modificare le proprietà di un manufatto umano macroscopico risale al IV secolo a.C. Si tratta della famosa coppa di vetro dicroico (doppio colore), detta di Licurgo dalla leggenda raffigurata, conservata al British Museum. La particolarità della coppa è il diverso colore che può assumere: bronzeo/verde se illuminata dall’esterno; rosso rubino se dall’interno. Gli artigiani romani ovviamente non sapevano che l’effetto fosse dovuto a nanoparticelle di una lega di oro ed argento delle dimensioni di qualche decina di nanometri uniformemente dispersi nel vetro, ma sicuramente non era ottenuto per caso e sapevano riprodurlo in maniera seriale, dato che altri manufatti simili sono stati ritrovati negli anni e ancora nel medioevo questa tecnica veniva usata per le vetrate delle cattedrali. Una tecnica empirica segreta, tramandata oralmente, di cui, ad un certo punto, si è persa memoria. Oggi la capacità di quelle stesse nanoparticelle di oro e di argento di manipolare la luce sono usate per identificare piccolissime quantità di molecole inquinanti, marcatori di tumori o altre malattie, virus e batteri. La differenza con gli artigiani romani e medioevali e che adesso sappiamo esattamente di cosa si tratta, come riprodurle, come manipolare e sfruttare quell’effetto.

Dott. Di Fonzo, le nanotecnologie sembrano essere utili in molti campi. Anche nella vita quotidiana?
Esempi estremamente attuali di nanotecnologie, o meglio nano-biotecnologie, sono i due vaccini contro il SARS-COV2 di Pfizer-BioNTech e Moderna. Essi si basano infatti su RNA messaggero veicolato liposomi, nanoparticelle organiche con una struttura simile a quella base delle cellule, completamente sintetiche. Il liposoma protegge il mRNA dalla sua produzione all’iniezione e pemette la sua entrata nelle cellule. Una volta all’interno, il mRNA le istruisce a generare sulla loro superficie la famosa proteina Spike del virus, scatenando così la risposta immunitaria del nostro corpo, che è poi pronto a reagire in caso di contatto con il vero virus. Questi sono i primi vaccini ad mRNA perchè fino a pochi anni fa non si riusciva a stabilizzare questa labile molecola. Grazie alla nuova generazione di nanoparticelle liposomiche sviluppata da queste due case è stato possibile fare il “miracolo” di un vaccino in meno di un anno. La forza di questo approccio è la sua natura completamente sintetica ed il ridotto numero di passaggi di produzione, che lo rende anche adattabile velocemente a nuove sfide.

Altri esempi di nanotecnologie già in commercio?
Creme solari trasparenti (contengono tipicamente ossido di zinco, lo stesso usato nelle creme per neonati, solo in forma nano e quindi completamente trasparente), cementi mangia smog (a base di nanoparticelle di biossido di titanio), nanoparticelle di argento con effetto antibatterico e antifungino, mazze da golf, caschi, ed altri oggetti con prestazioni meccaniche elevate a base di nanotubi di carbonio o grafene. D’altro canto anche le celle a combutibile funzionano grazie a nanoparticelle di platino disperse in una complessa struttura di nano-carbonio. Si possono annoverare nel campo delle nanotecnologie le celle fotovoltaiche più avanzate, come quelle prodotte dall’ENEL a Catania, in quanto si basano sul controllo a scala nanometrica di strati di silicio ed altri materiali per ottenere efficienze superiori alla tecnologia più tradizionale.

Quali obiettivi si sono posti gli scienziati per il futuro?
Le nanotecnologie sono un mondo in continua crescita e dalle potenzialità infinite
. Ad esempio, non ho citato finora il mondo dei semiconduttori, delle memorie e delle comunicazioni ottiche, ma in questi campi il controllo della materia alle scale 1-100 nm ha permesso la rivoluzione degli smarphones, delle penne USB da 1 TB (!) e di internet ovunque a velocità impensabili fino a qualche anno fa. Ma si può ancora fare molto. Basta pensare che, come diceva Richard Feynman, se potessimo codificare l’informazione in un codice atomico in tre dimensioni, tutta la conoscenza di tutti i libri di tutte le biblioteche del mondo potrebbe stare nello spazio occupato da un granello di polvere di 0.1 millimetri. Un giorno, sono sicuro, gli scienziati impareranno a controllare gli effetti quantistici allo stato solido, sfruttando atomi diversi arrangiati in architetture nanometriche complesse. Questo porterà alla rivoluzione dei computer quantistici riducendone le dimensioni ed il consumo energetico rispetto ai primi prototipi di oggi, proprio come i transistor a stato solido rivoluzionarono l’elettronica negli anni ’50, portandoci dalle enormi macchine a valvole tipo ENIAC ai moderni computer.

Dal punto di vista della medicina si puntano allo sviluppo di sistemi di nanoparticelle artificiali. Il sogno è quello di riuscire a portare la cura specifica, con una specie di nanomacchina, all’interno di un tumore o all’interno di cellule malate, distruggerle o ripararle, ad esempio attraverso l’apertura di una capsula nanometrica che si apre e rilascia un principio attivo delle nanoparticelle che possono essere stimolate con un campo elettromagnetico.

Nel mondo dell’energia, l’obiettivo è quello di andare a sviluppare i sistemi energetici sempre più efficienti. Nel campo delle batterie l’uso di nanomateriali sta permettendo e permetterà la creazione di batterie con capacità doppia o tripla dell’attuale, non infiammabili, e, sopratutto, con tempo di ricarica di minuti e non di ore. Sempre nel campo delle batterie, nuovi elettrodi nanostrutturati permetteranno di realizzare batterie liquide per applciazioni stazionarie in grado di immagazzinare grandi quantità di energia per usare di notte l’energia prodotta di giorno dai pannelli fotovoltaici. Nanocatalizzatori sempre più raffinati permetteranno di produrre idrogeno in maniera efficiente e trasformare la CO2 in combustibili o molecole utili per la chimica, sostituendo il petrolio come materia prima.

Raggiungendo il controllo totale, i ricercatori non potrebbero usare queste conoscenze per scopi non benefici ad esempio come la creazione di armi non convenzionali?
Come sempre la Scienza sviluppa conoscenza e tecnologia. Come la polvere da sparo, tutte le conoscenze e le tecnologie possono essere usate sia per fare fuochi d’artificio sia per fare proiettili. Starà all’umanità decidere come usare questa infinita capacità di manipolare la materia, quando tra 10 o 20 anni si arriverà a poter fare quasi qualsiasi cosa.”

Chi vuole studiare questa scienza deve avere delle peculiarità?
Tanta curiosità e fantasia, oltre ad una solida preparazione di base, ovviamente
. Io sono ingegnere ma lavoro costantemente con chimici, fisici, biologi, ingegneri elettronici. Le nanotecnologie sono intrinsecamente interdisciplinari: si parte dalla fisica, dalla chimica e dalla scienza dei materiali per approdare alla fisica, alla biologia, all’elettronica e alla meccanica. Ripeto, bisogna avere una buona preparazione di base ovviamente ma è essenziale essere curiosi e avere fantasia. Quando prendo qualcuno nel mio gruppo mi assicuro di questo, le competenze specifiche le insegnamo in laboratorio, si imparano sul campo e sugli articoli scientifici. L’esempio più emblematico di quanto la fantasia e l’intuizione siano fondamentali in questo campo è la scoperta del grafene. Nel 2004 Geim and Novoselov riuscirono ad isolare un singolo strato di atomi di carbonio, detto grafene, da un pezzo di grafite (simile ad una comune punta di matita) mediante del semplice nastro adesivo! Il problema era come vedere un singolo strato di atomi di carbonio. Ed infatti, l’intuizione che fece la differenza rispetto a tanti tentativi precedenti fu come lo dimostrarono. In base a dei semplici calcoli di ottica, si aspettavano di riuscire a vedere un certo colore appoggiando il grafene monostrato su uno strato di silicio ossidato. Così fecero ed ottennero quello che si aspettavano. Una volta reso visibile in maniera semplice il grafene, il resto, come si dice, è storia: Geim e Novoselov vinsero il premio Nobel nel 2010, migliaia di articoli sulle proprietà e applicazioni del grafene sono stati pubblicati, diverse start-up sono state fondate nel mondo e nel 2013 l’Unione Europea ha istituito la Graphene Flagship con un budget da 1 miliardo di euro.

L’incontro si è concluso con un collegamento in diretta dal laboratorio del Dott. Di Fonzo presso il CNST-IIT di Milano, durante il quale dottorandi e giovani ricercatori che si occupano di fusione nucleare, energie rinnovabili, batterie e nanobioprocessi per la produzione di bioplastica ed idrogeno, hanno spiegato le loro ricerche e mostrato i laboratori. Questo collegamento ha costituito, per tutti noi ragazzi, un’esperienza straordinaria, direi unica! I giovani ingegneri si sono mostrati disponibili e hanno risposto alle tante nostre curiosità, spiegandoci processi difficili ma con un linguaggio accessibile per noi e tanti sorrisi. La scienza è anche questo.  Un’esperienza, questa mattina, entusiasmante, sotto ogni punto di vista. Questa è la scuola che ci piace!

Sara D’Andreamatteo
classe 5B LS

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