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Che cos'è la nanotecnologia: esempi, applicazioni e rischi futuri


Nel 1959, il fisico Richard Feynman predisse un futuro in cui gli scienziati, manipolando atomi e molecole, sarebbero stati in grado di costruire materiali e strutture di maggiore resistenza, peso più leggero, maggiore controllo dello spettro luminoso e maggiore reattività chimica.

Tutto di natura fisica - esseri umani, piante, minerali, aria - è composto da combinazioni di atomi e molecole legate insieme per forma o carica elettronica. Manipolare gli atomi su scala nanometrica permetterebbe teoricamente agli esseri umani di riprodurre qualsiasi cosa, dai diamanti al cibo.

Sebbene i vantaggi di tale tecnologia siano virtualmente innumerevoli, tra i tanti è emersa la preoccupazione che la manipolazione molecolare possa involontariamente portare più problemi che soluzioni - fino all'estinzione umana inclusa. Organizzazioni come Friends of the Earth of Australia, gli individui che tendono verso la ferocia in Messico e la Organic Consumers Association in America si oppongono attivamente a qualsiasi ulteriore sviluppo di progetti su scala nanometrica.

Che cos'è la "scala" e perché è importante?

La nanotecnologia è la scienza che si occupa della manipolazione della materia su scala atomica, molecolare e supramolecolare - in altre parole, molto più piccola di quella che l'occhio nudo può vedere. Ogni nanometro è un miliardesimo di metro - all'incirca la lunghezza di un'unghia cresce in un secondo. Per dirla in prospettiva, un capello umano ha una larghezza compresa tra 80.000 e 100.000 nanometri, un globulo rosso è di 2.500 nanometri e un filamento di DNA umano ha un diametro di 2.5 nanometri.

È solo attraverso lo sviluppo di strumenti di precisione straordinari, come il microscopio a scansione a effetto tunnel e il microscopio a forza atomica, che la nanotecnologia è diventata possibile. La sua promessa e il suo rischio derivano dalla nostra crescente comprensione della fisica quantistica, che si occupa di oggetti ultra-piccoli. Sorprendentemente, il comportamento delle sostanze su scala nanometrica è spesso contrario alle sue proprietà su scala più ampia.

Per esempio, le sostanze alla rinfusa che non possono trasportare una carica elettrica - isolanti - possono diventare semiconduttori su un livello nano, proprio come possono cambiare i punti di fusione e altre proprietà fisiche. Un Coke di alluminio può macinare in una polvere da 20 a 30 nanometri può accendersi spontaneamente in aria - una proprietà che lo rende un catalizzatore di carburante per razzi. Allo stesso modo, sia il diamante che la grafite in una matita sono fatti di carbonio, ma hanno proprietà molto diverse a causa del legame degli atomi di carbonio.

Nano-Terminologia

Come la scienza si è espansa nel campo "nano", così ha la terminologia. Ecco alcune definizioni di base:

  • Nanotecnologia: qualsiasi tecnologia, compresi i tradizionali processi industriali e chimici, che coinvolge strutture tra uno e cento nanometri, con proprietà innovative. Ad esempio, i rivestimenti nanotecnologici sono già in uso per realizzare indumenti con fibre antimacchia e lozioni solari ad alte prestazioni.
  • Nanofattoria: su scala nanometrica, ogni metodo di produzione è semplicemente un metodo per organizzare gli atomi. Chiamati anche "assemblatori molecolari", le nanofabbriche sono minuscole unità produttive a sistema chiuso che manovrano, combinano e manipolano molecole reattive per costruire complesse strutture fisiche e biologiche - dai minerali, agli organi umani e alle ossa. Una singola cellula umana è l'esempio perfetto di un'unità di produzione molecolare biologica, o nanofactory, che legge il materiale genetico digitale (DNA) per guidare il processo di combinazione. John Burch del Foresight Institute prevede che le applicazioni dell'ingegneria molecolare e della produzione biologica dovrebbero espandersi ed evolvere rapidamente entro la metà del XXI secolo.
  • Nanobot: sono prodotti di nanofabbricazione, ma non dovrebbero essere auto-replicanti o diretti. I nanobot si trovano all'incrocio tra nanotecnologia e robotica e sono più fantascienza che scienza, a questo punto. Tuttavia, ci sono certamente delle possibilità intriganti per il loro uso, specialmente all'interno dei corpi umani. Alcuni futuristi prevedono che un giorno i nanobot possano attraversare il flusso sanguigno cercando e trattando specifiche cellule malate. Un esempio potrebbe essere un nanobot che attacca e distrugge solo i tumori di un tipo specifico.

Usi attuali e futuri della nanotecnologia

Secondo la Society of Toxicology, i progressi delle nanotecnologie stanno già producendo una varietà di nuovi materiali. Stanno anche adattando vecchi materiali, come il carbonio, dando loro "un grande potenziale per migliorare i prodotti industriali e di consumo, affrontare i bisogni energetici critici, migliorare i sistemi di sicurezza e migliorare il campo medico".

I nanotubi di carbonio - immagina un foglio di atomi di carbonio arrotolati - appaiono ora in prodotti di consumo come racchette da tennis e mazze da golf. Esibiscono 200 volte la forza e cinque volte l'elasticità dell'acciaio, cinque volte la conduttività elettrica del rame e metà della densità dell'alluminio. Inoltre, non arrugginiscono, si degradano dalle radiazioni o si espandono o si contraggono con il cambiamento di temperatura. A questo proposito, l'attrattiva della loro applicazione in prodotti come automobili e aeroplani diventa abbastanza ovvia.

Il progetto sulle nanotecnologie emergenti presso Virginia Tech elenca oltre 1790 prodotti di consumo esistenti che sono nano-abilitati, tra cui lenzuola di cotone, sgrassanti, golf shaft, vernici e cosmetici. Alcuni scienziati hanno persino previsto che le celle solari possano alla fine essere sviluppate con una tale durata e a un costo così basso da permetterne l'uso in coperture, marciapiedi e strade - lasciando il posto a una fornitura di energia non inquinante, abbondante e poco costosa.

Esempi specifici di prodotti esistenti che utilizzano nanotecnologie includono i seguenti:

  • Il sistema MineralWater di Seldon Technologies è un dispositivo di filtrazione a nanotubi di carbonio che rimuove agenti patogeni e contaminanti come virus, batteri, cisti e spore per fornire acqua potabile che superi lo standard USEPA per acqua potabile.
  • L'inchiostro di nanotubi di carbonio di Linde Electronics è destinato a display, sensori e dispositivi elettronici come uno smartphone con uno schermo roll-up o un dispositivo GPS trasparente incorporato nel parabrezza di un'auto.
  • I prodotti per la protezione solare che includono biossido di titanio o ossido di zinco nano-particelle riflettono o assorbono la luce ultravioletta cancerogena. Questi prodotti sono invisibili e più duraturi, e hanno sostanze irritanti e allergizzanti inferiori rispetto ai filtri solari tradizionali.
  • Molte bende over the counter ora contengono nanoparticelle di argento che prevengono l'infezione intorno a tagli e abrasioni, mescolando efficacemente un unguento antibiotico con la benda.
  • Liquidi per piscine antibatterici. Questi sono più efficaci nella lotta contro i batteri nocivi riducendo l'esposizione dei nuotatori alle sostanze chimiche aggressive dei prodotti precedenti.

Come previsto dal Foresight Institute, i benefici quotidiani di una maggiore disponibilità di nanofattorie includeranno quanto segue:

  • Nanorobot medici che curano la malattia e invecchiano invecchiando . Robert Freitas, Senior Research Fellow presso l'Institute for Molecular Manufacturing, progetta nella sua Nanomedicine Book Series un futuro in cui nanotubi medici vengono introdotti nel corpo umano per eseguire interventi cellulari e microscopici, riparare lesioni specifiche e pattugliare il corpo per identificare e resistere alle malattie . Sul sito Web dell'Istituto per l'etica e le tecnologie emergenti, Burch ha descritto uno scenario in cui una pillola ingerita fornirebbe materiali molecolari con istruzioni per nanobot per formare nuovi neuroni per sostituire le cellule cerebrali danneggiate o morenti. Queste nuove cellule cerebrali elaborerebbero le informazioni molto più velocemente di un cervello biologico, proprio come un arto artificiale può essere più forte di un braccio o una gamba umana.
  • Costo ridotto dei prodotti fabbricati . I costi di base si ridurranno al valore delle materie prime come il carbonio, l'azoto e l'ossigeno e l'energia necessaria per il funzionamento di nanofactory. Immagina un'auto costruita con fibre di carbonio e creata in nanofattori, piuttosto che con materiali che richiedono estrazione, elaborazione e configurazione. Teoricamente, praticamente qualsiasi materiale o oggetto può essere assemblato dal basso verso l'alto con una combinazione di nanofabbriche. I risultati su larga scala si verificano quando si combinano processi simultanei e sinergici su scala nanometrica. Eric Drexler, un ingegnere americano noto per aver reso popolare la nanotecnologia, prevede un futuro di fabbriche da tavolo che realizzano prodotti ampi e utili, simili al "replicatore" della fama di "Star Trek". Infatti, nel giugno 2014, l'Istituto di Scienze della Salute della Nestle ha annunciato un nuovo progetto che potrebbe portare a una "macchina da cucina in grado di creare integratori su misura - o anche cibo".
  • Sviluppo dell'Intelligenza Generale Artificiale (AGI) . Secondo Foresight Institute, le nanofabbriche includeranno sistemi di macchine per l'ingegneria e il lavoro tecnico che, a loro volta, produrranno computer che sono migliaia di volte più potenti e poco costosi dei computer attuali. Man mano che le macchine imparano e trasferiscono le conoscenze da un'applicazione o da un ambiente all'altro, i rapidi progressi diventano probabili. Tuttavia, c'è qualche domanda su quanto velocemente si possa raggiungere l'AGI. Dal 1990, un premio di $ 100.000 è stato reso disponibile a chiunque la cui macchina possa ingannare i giudici indipendenti nel pensare che sia umano mentre è impegnato in una conversazione libera. Il premio deve ancora essere assegnato.
  • Eliminazione dell'inquinamento chimico industriale . Dal momento che ogni atomo nello stock di alimenti biologici è usato nel prodotto finale, o diretto nei rifiuti opportunamente imballati, nessun atomo inquinante viene rilasciato nell'ambiente. Ad esempio, il carbone naturale produce sostanze inquinanti come il biossido di zolfo, gli ossidi di azoto, le particelle fisiche presenti nell'aria e il mercurio quando viene bruciato. Costruire un combustibile artificiale che elimina i sottoprodotti o li converte in forme non dannose, sarebbe più salutare e meno costoso.

Pericoli e rischi della nanotecnologia

Persino i sostenitori della nanotecnologia, come Burch e Drexler, riconoscono il suo potenziale di nuocere e possibilmente annientare la razza umana se la tecnologia è incontrollata o mal indirizzata. Questi effetti potenzialmente dannosi includono quanto segue:

  • Sovrappopolazione . Il tasso di mortalità per gli esseri umani di età superiore agli 80 anni è diminuito dell'1, 5% all'anno dagli anni '60. Robert Freitas, Jr. suggerisce che i progressi nella nanotecnologia elimineranno tutte le malattie genetiche e rallenteranno l'invecchiamento, "aumentando di almeno dieci volte la salute umana". Se gli aumenti della longevità non riducono le nascite, la razza umana si espanderebbe esponenzialmente, esacerbando le tensioni sociali e potenzialmente esaurendo risorse.
  • Aumento del crimine e del terrorismo . Le armi chimiche e biologiche potrebbero diventare più letali e più facili da nascondere o tracciare, specialmente se diventano disponibili sul mercato nero o possono essere costruite in una fabbrica domestica. Le nanofabbriche teoricamente potrebbero produrre un'arma intelligente anti-uomo delle dimensioni di un insetto capace di trasportare una dose letale di botulismo. Il numero di tali armi in grado di uccidere ogni essere umano sul pianeta potrebbe essere confezionato in un'unica valigia.
  • Disparità tra Haves e Have-Nots . Gli sviluppi delle nanotecnologie saranno probabilmente inizialmente costosi e di conseguenza protetti da strati di brevetti, leggi e barriere anticoncorrenziali. Di conseguenza, è probabile che i benefici dei costi inferiori siano limitati ai proprietari della tecnologia. La disparità e la disparità di reddito potrebbero diventare più esagerate, generando così disordini sociali.
  • Conflitti su credenze religiose e stili di vita . In tutto il mondo, i prodotti sono vietati o limitati in base a principi religiosi o morali non necessariamente condivisi dalla maggioranza. Gli esempi includono pistole in Gran Bretagna, alcol nelle società musulmane e droghe ricreative in vari paesi. La capacità di produrre prodotti vietati in nanofabbriche personali potrebbe causare interruzioni in tali società.
  • Aspetto di "Grey Goo . " Alcuni scienziati sono preoccupati che le nanoproduzioni auto-replicanti possano esaurirsi, mangiando la biosfera in uno sforzo frenetico per fare copie illimitate di se stesse. Proprio come il comportamento antisociale è irresistibile per una certa percentuale della popolazione - come evidenziato dal numero di virus informatici esistenti - è probabile che persone e gruppi irresponsabili producano nanoprodotti auto-replicanti, aumentando così la possibilità di un disastro.

Parola finale

Steve Jurvetson, amministratore delegato della società di venture capital Draper Fisher Jurvetson, afferma che il futuro della nanotecnologia non è una questione di "se", ma piuttosto di "quando". Josh Wolfe, co-fondatore di Lux Capital e redattore di Forbes / Wolfe Nanotech Report è d'accordo, affermando che tutto - abbigliamento, cibo, automobili, abitazioni, medicine, dispositivi di comunicazione, l'aria che respiriamo e l'acqua che beviamo - subiranno "cambiamenti profondi e fondamentali. E di conseguenza, anche la struttura socioeconomica del mondo. "

La nanotecnologia sarà la "pietra filosofale" capace di trasformare in realtà ogni desiderio o l'apertura del vaso di Pandora, scatenando disagi e orrori inimmaginabili nella vita umana così come la conosciamo?


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