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Grazie alle ricerche realizzate da un gruppo di scienziati dell’Università di Berkeley e del Lawrence Berkeley National Laboratory è stata dimostrata la possibilità di realizzare un sistema elettromeccanico completamente artificiale anche su dimensioni nanometriche. Alex Zettl, con i suoi colleghi, è riuscito infatti a progettare e a sviluppare il primo prototipo di NEMS, nanometre-scale electromechanical system; un rotore elettrico così minuscolo da essere 2000 volte più piccolo della sezione di un capello umano, una caratteristica che ne permette la facile integrazione su un normale chip al silicio. Le parti principali che formano questo microscopico macchinario sono una sottile lamina di oro e un asse di rotazione costituito da un nanotubo di carbonio, che termina alle estremità in due elettrodi. Il funzionamento del sistema è piuttosto semplice, basta infatti applicare una tensione tra gli elettrodi per mettere in rotazione la lamella d’oro.
Per controllare meglio questo movimento sono utilizzati altri tre elettrodi, due in direzione ortogonale all’asse di rotazione, e l’ultimo al di sotto. Variando la tensione applicata a questi terminali è possibile fissare la velocità e direzione con cui ruota la lamina, oppure controllarne con grande precisione la posizione finale.
Trascorsi appena 15 anni dalla realizzazione del primo motore su scala micrometrica, una ricerca anche questa salutata dal sole della California, gli scienziati sono riusciti a spingere ancora oltre la frontiera dell’infinitamente piccolo. Come riportato nell’articolo pubblicato da Zettl su Nature nel numero del 24 Luglio, l’intero dispositivo ha una dimensione di soli 500 nanometri, un nanometro equivale a un milionesimo di millimetro, mentre il rotore vero e proprio ha una lunghezza compresa tra 100 e 300 nanometri. Il record vero e proprio in fatto di dimensioni spetta però al nanotubo di carbonio che forma l’asse di rotazione, la sua sezione è inferiore ai 10 nanometri, sufficienti per allineare una decina di atomi di carbonio.
La storia dei micro dispositivi meccanici ha come inizio il 1988, quando Richard Muller ed i suoi colleghi del Berkeley Sensor & Actuator Center (BSAC), riuscirono ad utilizzare il silicio per fabbricare il primo motore elettrostatico di dimensioni micrometriche, dando il via all’era dei microelectromechanical system, più noti sotto la sigla di MEMS. Dispositivi che ben presto hanno abbandonato i laboratori di ricerca per divenire uno dei prodotti più innovativi dell’industria elettronica. Oggi, anche se non è possibile accorgersene, possiamo trovarli in numerose applicazioni, dai sistemi di controllo degli airbags nelle automobili o per regolare il funzionamento dei pacemakers cardiaci.
La possibilità di spingere ancora di più il livello di miniaturizzazione offre quindi l’occasione di sviluppare una nuova generazione di dispostivi con importanti ricadute nella nostra vita quotidiana. Aspettative che si sono scontrate molte volte con le proprietà insolite che mostrano metalli e materiali in genere, quando impiegati su scala nanometrica, un motivo che rende ancora più interessante i risultati ottenuti dal gruppo di Zettl.
Anche se non si tratta in assoluto del primo esempio di micromotore, quello realizzato dai ricercatori di Berkeley ha il vantaggio in confronto ai prototipi realizzati fino ad oggi di essere molto più compatto e soprattutto di poter essere manovrato utilizzando semplicemente dei segnali elettrici. Rispetto poi alle macromolecole organiche utilizzate come veri e propri motori, questo nuovo dispositivo richiede condizioni ambientali molto meno stringenti. Gli esempi di motori molecolari che giungono dallo studio della biologia, prima fra tutti l’ATP sintasi, una proteina presente all’interno delle cellule responsabile della produzione dell’ATP (adenosintrifosfato), o i flagelli che ricoprono la superficie esterna dei batteri, rappresentano soluzioni estremamente specializzate e richiedono per sopravvivere condizioni di temperatura ed umidità molto stringenti
La superiorità di apparati completamente sintetici è essenziale quindi nel caso di applicazioni sviluppate per operare in intervalli di temperature ampi, in ambienti chimici aggressivi o in casi estremi, in assenza di pressione atmosferica.