Il Premio Nobel per la chimica 2023 non è il primo Nobel assegnato per la ricerca nel campo delle nanotecnologie. Ma è forse l'applicazione più colorata della tecnologia ad essere associata al riconoscimento.
Il premio di quest'anno riconosce Moungi Bawendi, Louis Brus e Alexei Ekimov per la scoperta e lo sviluppo dei punti quantici. Per molti anni, queste particelle di dimensioni nanometriche costruite con precisione – appena poche centinaia di millesimi della larghezza di un capello umano in diametro – sono state le preferite delle presentazioni e delle presentazioni sulla nanotecnologia. In qualità di ricercatore e consulente nel campo delle nanotecnologie, li ho utilizzati io stesso quando ho parlato con sviluppatori, politici, gruppi di difesa e altri riguardo alle promesse e ai pericoli della tecnologia.
Le origini della nanotecnologia sono antecedenti al lavoro di Bawendi, Brus ed Ekimov sui punti quantici:il fisico Richard Feynman speculava su cosa sarebbe potuto essere possibile attraverso l'ingegneria su scala nanometrica già nel 1959, e ingegneri come Erik Drexler speculavano sulle possibilità di una produzione atomicamente precisa nel mondo. Anni '80. Tuttavia, i tre premi Nobel di quest'anno facevano parte della prima ondata di nanotecnologia moderna in cui i ricercatori iniziarono a mettere in pratica le scoperte della scienza dei materiali.
I punti quantici hanno una fluorescenza brillante:assorbono un colore di luce e lo riemettono quasi istantaneamente come un altro colore. Una fiala di punti quantici, quando illuminata con luce ad ampio spettro, brilla di un unico colore vivido. Ciò che li rende speciali, però, è che il loro colore è determinato da quanto sono grandi o piccoli. Fateli piccoli e otterrete un blu intenso. Ingranditeli, anche se su scala nanometrica, e il colore diventerà rosso.
Questa proprietà ha portato a molte immagini sorprendenti di file di fiale contenenti punti quantici di diverse dimensioni che vanno da un sorprendente blu su un'estremità, attraverso verdi e arancioni, fino a un rosso vibrante sull'altra. Questa dimostrazione del potere della nanotecnologia è così accattivante che, all'inizio degli anni 2000, i punti quantici sono diventati l'emblema della stranezza e della novità della nanotecnologia.
Ma, ovviamente, i punti quantici sono più di un trucco da salotto visivamente attraente. Dimostrano che interazioni uniche, controllabili e utili tra materia e luce possono essere ottenute ingegnerizzando la forma fisica della materia, modificando la dimensione, la forma e la struttura di oggetti o elementi, anziché giocare con i legami chimici tra atomi e molecole. La distinzione è importante ed è al centro della moderna nanotecnologia.
Le lunghezze d'onda della luce che un materiale assorbe, riflette o emette sono generalmente determinate dai legami chimici che legano insieme i suoi atomi costituenti. Gioca con la chimica di un materiale ed è possibile mettere a punto questi legami in modo che ti diano i colori che desideri. Ad esempio, alcuni dei primi coloranti iniziavano con una sostanza trasparente come l'analina, trasformata attraverso reazioni chimiche nella tonalità desiderata.
È un modo efficace di lavorare con la luce e il colore, ma porta anche a prodotti che sbiadiscono nel tempo man mano che i legami si degradano. Spesso implica anche l'uso di sostanze chimiche dannose per l'uomo e l'ambiente.
I punti quantici funzionano diversamente. Invece di dipendere dai legami chimici per determinare le lunghezze d’onda della luce che assorbono ed emettono, si affidano a cluster molto piccoli di materiali semiconduttori. È la fisica quantistica di questi ammassi che determina quindi quali lunghezze d'onda della luce vengono emesse, e questo a sua volta dipende da quanto sono grandi o piccoli gli ammassi.
Questa capacità di regolare il comportamento di un materiale semplicemente modificandone le dimensioni rappresenta un punto di svolta per quanto riguarda l'intensità e la qualità della luce che i punti quantici possono produrre, nonché la loro resistenza allo sbiancamento o allo sbiadimento, i loro nuovi usi e, se progettati, intelligentemente:la loro tossicità.
Naturalmente, pochi materiali sono completamente non tossici e i punti quantici non fanno eccezione. I primi punti quantici, ad esempio, erano spesso basati sul seleniuro di cadmio, i cui materiali componenti sono tossici. Tuttavia, la potenziale tossicità dei punti quantici deve essere bilanciata dalla probabilità di rilascio ed esposizione e dal loro confronto con le alternative.
Sin dai suoi albori, la tecnologia dei punti quantici si è evoluta in termini di sicurezza e utilità e ha trovato la sua strada in un numero crescente di prodotti, dai display e illuminazione, ai sensori, alle applicazioni biomediche e altro ancora. Nel processo, parte della loro novità forse è svanita. Può essere difficile ricordare quale salto di qualità sia la tecnologia utilizzata per promuovere l'ultima generazione di televisori appariscenti, ad esempio.
Eppure, i punti quantici sono una parte fondamentale di una transizione tecnologica che sta rivoluzionando il modo in cui le persone lavorano con atomi e molecole.
Nel mio libro "Film dal futuro:la tecnologia e la moralità dei film di fantascienza", scrivo del concetto di "codificazione di base". L'idea è semplice:se le persone riescono a manipolare il codice più elementare che definisce il mondo in cui viviamo, possiamo iniziare a riprogettarlo e riprogettarlo.
Questo concetto è intuitivo quando si parla di informatica, dove i programmatori utilizzano il "codice base" di 1 e 0, anche se attraverso linguaggi di livello superiore. Ha senso anche in biologia, dove gli scienziati stanno diventando sempre più esperti nel leggere e scrivere il codice di base del DNA e dell'RNA, in questo caso utilizzando le basi chimiche adenina, guanina, citosina e timina come linguaggio codificante.
Questa capacità di lavorare con i codici base si estende anche al mondo materiale. In questo caso, il codice è costituito da atomi e molecole e dal modo in cui sono disposti in modi che portano a nuove proprietà.
Il lavoro di Bawendi, Brus ed Ekimov sui punti quantici è un perfetto esempio di questa forma di codifica di base del mondo materiale. Formando con precisione piccoli gruppi di particolari atomi in “punti” sferici, sono stati in grado di sfruttare nuove proprietà quantistiche che altrimenti sarebbero inaccessibili. Attraverso il loro lavoro hanno dimostrato il potere di trasformazione che deriva dalla codifica con gli atomi.
Hanno aperto la strada a una codifica di base su scala nanometrica sempre più sofisticata che ora sta portando a prodotti e applicazioni che non sarebbero possibili senza di essa. E hanno contribuito a ispirare una rivoluzione nanotecnologica che continua ancora oggi. Riprogettare il mondo materiale in questi nuovi modi trascende di gran lunga ciò che può essere ottenuto attraverso tecnologie più convenzionali.
Questa possibilità è stata catturata in un rapporto del National Science and Technology Council degli Stati Uniti del 1999 dal titolo Nanotechnology:Shaping the World Atom by Atom. Anche se non menziona esplicitamente i punti quantici (un'omissione su cui sono sicuro che gli autori ora si stanno prendendo gioco di se stessi), ha catturato quanto trasformativa potrebbe essere la capacità di progettare materiali su scala atomica.
Questa modellazione del mondo a livello atomico è esattamente ciò a cui Bawendi, Brus ed Ekimov aspiravano attraverso il loro lavoro pionieristico. Sono stati alcuni dei primi "codificatori di base" dei materiali poiché utilizzavano un'ingegneria di precisione atomica per sfruttare la fisica quantistica delle piccole particelle, e il riconoscimento dell'importanza di ciò da parte del comitato Nobel è ben meritato.
Fornito da The Conversation
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