Gianfranco Pacchioni − professore ordinario di chimica dei materiali presso l’Università Milano Bicocca − è autore del volume Materiali fantastici e come crearli. Dal grafene al computer quantistico, le nanotecnologie che ci cambiano la vita (Zanichelli). Gli abbiamo rivolto alcune domande per cercare di capire come e in quale misura le nuove acquisizioni chimico-fisiche stiano trasformando la nostra vita, individuale e collettiva, e con quali prospettive per il nostro futuro. L’intervista è stata curata da Giordano Cavallari.

• Professore, cosa dobbiamo intendere per nanotecnologie?

Siamo fatti e funzioniamo grazie a «cose» davvero molto, molto piccole. Le nostre cellule sono invisibili ad occhio nudo, perché misurano, tipicamente, un decimo di millimetro e contengono al loro interno organelli ancora più piccoli che ne regolano il funzionamento. Su ogni centimetro quadrato della nostra pelle vive piacevolmente un milione di batteri invisibili ai nostri occhi, ancora più piccoli delle nostre cellule e in piena salute.

Per nanotecnologie intendiamo, dunque, l’insieme delle tecnologie volte a creare, controllare, e utilizzare oggetti di dimensioni simili e anche inferiori a quelle di cellule, dei batteri e di altri microrganismi: oggetti le cui dimensioni sono dell’ordine del nanometro, cioè un miliardesimo di metro.

• Come possiamo farci un’idea delle dimensioni nanometriche?

Non è facile ma ci proviamo. Un batterio, invisibile ai nostri occhi, ha una dimensione tipica di 1.000 nanometri, un millesimo di millimetro, ed è quindi enorme rispetto a molte strutture nanometriche. Un flessibile foglio di carta, che a noi appare sottilissimo, misura circa 100.000 nanometri. Persino un capello ha un diametro enorme rispetto a quelle delle strutture nanometriche, ossia 50.000 nanometri. Insomma, per quanto ci si sforzi di definire questo mondo invisibile, è difficile immaginare dimensioni così piccole, che sono poi le dimensioni delle molecole, di cui tutta la materia è costituita.

• I chimici riescono a vedere gli atomi? E cosa ne fanno?

Da quando John Dalton (1766-1844) ha formulato la sua teoria atomica − secondo la quale gli elementi sono composti da atomi indivisibili identici tra loro, per cui le reazioni chimiche non sono altro che combinazione o separazione degli atomi − non ci sono stati più dubbi circa l’esistenza di atomi e di molecole. Ma sino a tempi recenti, nessuno aveva mai potuto «vedere» dimensioni così piccole, anche rispetto alle capacità di osservazione dei microscopi ottici più potenti. È stato verso gli anni Ottanta del Novecento che sono stati messi a punto microscopi molto particolari, grazie ai quali sono stati osservati e quindi, persino, «manipolati», singoli atomi: sto parlando del microscopio a scansione a effetto tunnel e del microscopio a forza atomica, basati su principi completamente diversi rispetto ai microscopi ottici o elettronici. Si tratta di scoperte fondamentali per lo sviluppo delle nanotecnologie.

Plenty of Room at the Bottom

• Perché stiamo costruendo cose sempre più piccole? In vista di quali obiettivi?   

Le potenzialità delle nanotecnolgie sono enormi e già ne stiamo notando molteplici applicazioni. Basta prendere il nostro smartphone: questo è un concentrato di nanotecnologia. Contiene un microprocessore di pochi millimetri di lato in cui sono stipati 40 miliardi di transistor che forniscono una potenza di elaborazione migliaia di volte superiore a quella dei computer che hanno portato il primo uomo sulla luna.

La miniaturizzazione, di fatto, consente di racchiudere potenti telecamere, microfoni, supporti su cui registrare dati, batterie, antenne, ecc., tutto in un volume estremamente contenuto, del peso di 150-180 grammi. La rivoluzione informatica è iniziata negli anni Cinquanta ed è proseguita per tutto il Novecento e ha portato a risultati dirompenti che si chiamano oggi internet, social networks, intelligenza artificiale.

Tutto è basato su quel dispositivo nanometrico che è il transistor. I transistor di ultimissima generazione arrivano a dimensioni di tre nanometri. Senza il transistor non esisterebbe la civiltà contemporanea, così come la conosciamo. Le nanotecnologie hanno già prodotto, quindi, una rivoluzione, una trasformazione davvero molto profonda e radicale.

• Ci faccia altri esempi di nanotecnologie.

Nella storia delle nanotecnologie non ci sono, ovviamente, solo i transistor. Ci sono molti nanomateriali che sono stati scoperti di recente. Fullereni, nanotubi e grafene sono tutti materiali fatti di carbonio, lo stesso elemento di cui sono costituiti sia il diamante che un pezzo di carbone, ma con caratteristiche e proprietà molto diverse.

Sono stati scoperti a partire dalla metà degli anni ’80 sino ai primi anni di questo secolo e hanno caratteristiche che non si trovano nei materiali tradizionali pure costituiti di carbonio. Hanno una dimensione dell’ordine del nanometro. I fullereni sono piccole sfere, i nanotubi sono sottilissimi fili cavi all’interno, mentre il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio.

Hanno applicazioni vastissime, dalla produzione di materiali leggeri e molto resistenti, al trasporto di farmaci, dagli usi nell’industria elettronica a quelli per le batterie. Cerchiamo dispositivi sempre più leggeri, con prestazioni migliori, durate delle batterie sempre maggiori, ecc.

Ecco: per disporre di questi oggetti servono materiali nuovi, e fullereni, nanotubi e grafene lo sono.

• A cosa servono le nanotecnologie in fatto di energia, ambiente, farmacologia, medicina… intelligenza artificiale?

Della rivoluzione in microelettronica ho già accennato, ma faccio un altro esempio. Oggi si parla moltissimo di intelligenza artificiale. Questa è interamente basata sull’uso di enormi quantità di dati. Ma dove stanno questi dati? Sono “scritti” su particolari supporti – dischi magnetici o memorie a semiconduttore – ove la riduzione delle dimensioni delle singole aree in cui viene immagazzinata l’informazione consente di conservare quantità immense di dati. Senza queste tecnologie non esisterebbero il machine learning o la scienza dei dati, due pilastri su cui si basa l’intelligenza artificiale. Ma non ci si ferma qui.

Le nanotecnologie potrebbero rivoluzionare anche la medicina tradizionale, consentendo di veicolare i farmaci solo verso i tessuti e le cellule malate, non intaccando quelle sane, oppure permettere di inserire nell’organismo nanosensori in grado di monitorare in continuo l’evoluzione delle patologie o di segnalare malfunzionamenti di un determinato organo.

Ma anche la produzione di energia sostenibile o l’utilizzo di combustibili di nuova generazione – come l’idrogeno verde – sono in buona misura affidate allo sviluppo di nanotecnologie e alla messa a punto di nuovi nanomateriali. Queste tecnologie saranno fondamentali per la cosiddetta transizione energetica.

• A che punto siamo in Italia e in Europa sulle nanotecnologie: siamo competitivi o dipendenti da altri paesi e continenti? 

Né più né meno che in molti altri campi. In fatto di ricerca abbiamo diversi centri a livello di eccellenza internazionale, sia in Italia che in Europa.

Anche nell’industria abbiamo parecchie aziende che basano la propria attività su prodotti e processi nanotecnologici: sono aziende che si occupano di sensori, di microelettronica, di materiali ad elevate prestazioni; anche qualche azienda farmaceutica ci sta lavorando.

Ma ormai il mondo è tutto interconnesso: le tecnologie vengono sviluppate ovunque e la dipendenza da tecnologie e materiali sviluppati altrove è un dato di fatto.

• Quali sono i limiti delle nanotecnologie?

In alcuni campi abbiamo raggiunto i limiti fisici della miniaturizzazione. È il caso dei transitor: farli ancora più piccoli è praticamente impossibile. Per il resto i limiti sono ancora da raggiungere. Perché una tecnologia diventi interessante per l’utilizzo su vasta scala, deve portare prodotti con chiaro valore aggiunto e con un costo di produzione sostenibile rispetto alle prestazioni offerte.

Faccio ancora qualche esempio: da quarant’anni ci stiamo spalmando con creme di protezione solare che contengono nanoparticelle di ossido di titanio per proteggerci dai raggi ultravioletti, e ognuno di noi sta utilizzando dispositivi elettronici di tutti i tipi (tablet, computer, televisori con schermi a LED) basati su punti quantici che altro non sono che nanoparticelle di materiali semiconduttori.

Il premio Nobel per la chimica di quest’anno (2023) è stato attribuito proprio per la scoperta dei punti quantici. Le nanotecnologie sono con noi… e lo saranno sempre più.

Sfuggevolezza etica

• Ci sono rischi etici nel loro impiego? Quali?

Come tutte le tecnologie, anche le nanotecnologie non sono prive di rischi. Ci sono tecnologie del tutto innocue dal punto vista organico: usare i transistor non ha mai fatto male a nessuno. Ma altre sono potenzialmente pericolose per l’organismo, come le nanoparticelle usate in certe applicazioni industriali, poiché le nanoparticelle possono penetrare nella membrana cellulare e creare danni alle cellule.

Le nanotecnologie sono molte e diversissime tra loro, per cui un discorso generalizzato sui rischi non è possibile.

Certamente, si possono dare altre questioni, etiche appunto, anche se, per ora, è difficile definirle. Uno degli obiettivi delle nanotecnologie è quello, ad esempio, di creare macchine molecolari artificiali, imitando la natura che, in miliardi di anni di evoluzione, ha messo a punto efficienti macchine molecolari naturali, per le quali noi stessi esistiamo: si chiamano ribosomi, mitocondri, chinesine o realtà con altri nomi strani; sono macchine molecolari che hanno funzioni specifiche, capaci di assemblare e trasportare le molecole, quindi le sostanze, dentro e fuori dalle nostre cellule.

Se fossimo un giorno in grado di creare macchine artificiali capaci di simulare i processi degli organismi viventi, si aprirebbero scenari straordinari, ma anche molto delicati e inquietanti. Al momento è un po’ presto per dire se i progressi saranno tali da determinare importanti quesiti etici di questo genere. Ciò che è indubbio è tutte le nuove tecnologie, in generale, hanno posto e pongono rilevanti domande circa l’uso e le finalità.

• Ogni capitolo del suo libro è introdotto da citazioni di Primo Levi. Quanto è importante, per lei, coniugare scienza, letteratura e filosofia?

Faccio spesso riferimento a Primo Levi nei miei libri perché si tratta di un autore – chimico di professione – che ha sempre mostrato una grandissima attenzione all’impatto che la scienza avrebbe avuto sull’umanità e sul suo destino. Oggi ci muoviamo in direzioni in cui le domande fondanti sul perché, sui benefici, ma anche sui problemi generati dalle tecnologie, diventano sempre più incalzanti.

Ho parlato, poco sopra, dello smartphone: introdotto 15 anni fa, ha prodotto una rivoluzione sociale senza precedenti, col risultato che molti, soprattutto i giovani, oggi vivono in mondi virtuali più che in quelli reali. Le tecnologie possono portare, dunque, benessere e vita piacevole, ma comportano cambiamenti sociali profondissimi e rapidissimi, sempre da valutare.

Ogni tanto mi capita di parlare di questi temi con colleghi delle discipline umanistiche, ma molto meno di quanto vorrei, e troppo poco rispetto a ciò che reputo necessario. Abbiamo davvero bisogno di riflettere sul dove vogliamo andare e in quale modo.

Devo dire che l’dea che ho della intelligenza artificiale mi porta a prefigurare impatti rilevantissimi sul nostro futuro. Sappiamo che ci sono Organismi internazionali che si stanno interrogando sul controllo di questi processi, per non esserne travolti. E questo è un buon segno. Ma ciascuno di noi deve essere messo in grado di capire cosa sta accadendo per poter decidere, in qualche modo, il nostro futuro: il futuro della umanità.