Corso di NanotecnologieGiampaolo Zuccheri (giampaolo.zuccheri@unibo.it)

NANOTECHNOLOGY

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hpNANOTECNOLOGIE: Una questione di scala

La dimensionalità dei sistemi determina spesso le loro proprietà.È sempre più necessario avere la consapevolezza della dimensione degli oggetti.

Scale of the universe (animation)

WHAT IS NANOTECHNOLOGY?• Nanotechnology is the understanding and control of matter and

processes at the nanoscale, typically, but not exclusively, below 100nanometres in one or more dimensions where the onset of size-dependent phenomena usually enables novel applications.

• Nanotechnology is cross-disciplinary in nature, drawing on medicine,chemistry, biology, physics and materials science.

At the nanoscale, matter begins to demonstrate entirely new and uniqueproperties. It can become stronger, conduct heat better, and show extraordinaryelectrical properties.

With a bottom-up approach, nanostructures are formed molecule by molecule,using methods such as chemical vapour deposition or self-assembly. By contrast,top-down fabrication can be likened to sculpting from a base material, andtypically involves steps such as deposition of thin films, patterning, and etching.

• Manipulation of objects at the atomic scale• Dimensions not exceeding 100 nanometers• “Bottom up” assembly • Top down synthesis

• Micronizing of bulk materials• $Billion government research funding • Estimated $multi billion market for products

Riassumendo … (?)Probabilmente ogni scienziato avrà una sua risposta (che probabilmente includerà il proprio campo di lavoro). È una tecnologia molto nuova e promettente (ma qualcosa ha già mantenuto) che coinvolge molti ambiti disciplinari: la chimica, la fisica, la biologia, ma anche l’elettronica.

Forse la definizione più larga possibile è quella di “tecnologia che ha a che fare con oggetti con almeno una dimensione nella scala da 1 a 100 nanometri.” Essendo una tecnologia, si presume che si tratti di scienza in qualche modo applicativa: le conoscenze di base dovrebbero prendere il nome di “nanoscienza,” ma a volte il confine sembra alquanto confuso.

L’ideale delle nanotecnologie è raggiungere l’assemblaggio di oggetti atomo per atomo. Ma la biologia già fa questo e le biotecnologie lo sfruttano (in modo consapevole) da qualche decade. Ma allora anche la chimica lo fa … le nanotecnologie sono, forse più propriamente, l’uso consapevole di proprietà della materia sulla scala dei nanometri, proprietà che non si realizzano a scale maggiori od inferiori. Come conclusione, direi che non tutta la chimica è nanotecnologie e non tutta la biologia o la biotecnologia sono nanobiotecnologie. Sono nanotecnologie quelle tecniche che tendono consapevolmente a trattare (studiare e costruire) materia e processi che hanno almeno una dimensione caratteristica sulla scala del nanometro e che non avrebbero le stesse proprietà su altre scale dimensionali.

La nanotecnologia tende a lavorare a livello atomico o molecolare e creare strutture con una organizzazione molecolare nuova. Strutture con dimensioni tra il nanometro ed i 100 nm talvolta mostrano comportamenti nuovi, che non sono condivisi da atomi isolati o piccole molecole né da strutture macroscopiche. L’obiettivo delle nano(bio)tecnologie è potere controllare le strutture a livello del nanometro per poter sfruttare queste proprietà innovative.

Sono incluse nelle nanotecnologie quelle tecniche di misura innovative che consentono lo studio della nanoscala.

I comportamenti innovativi ottenuti non sono solamente conseguenza della riduzione di quantità, ma da fenomeni di nuova osservazione che sono intrinseci della nanoscalao che in quella scala diventano dominanti. Questi fenomeni includono il confinamento, la predominanza dei fenomeni interfacciali, la meccanica quantistica.

L’AUTOASSEMBLAGGIO E LE NANOTECNOLOGIE (il Sacro Graal)

Come se un motore macroscopico si costruisse da solo semplicemente buttando insieme i pezzi che lo costituiscono.L’ideale delle nanotech sarebbe l’assemblaggio atomo per atomo. La biologia già fa questo e le biotecnologie lo sfruttano (in modo più o meno consapevole) da qualche decade.

Similmente importanti stanno diventando processi che avvengono su scale molecolari di forze e processi, spesso soprattutto di misura, che coinvolgono singole molecole.

Nanostoria delle nanotecnologie 1/2

29 Dicembre 1959: nascono le nanotecnologie!Nel suo ormai celebre discorso “There is plenty of room at the bottom” a

Caltech il fisico premio Nobel Richard Feynman prevede la possibilità di manipolare la materia atomo per atomo.

1968 Alfred Cho and John Arthur of Bell labs invent molecular–beam epitaxy, a technique to deposit single atomic layers on a surface

1974 Primo dispositivo elettronico molecolare brevettato (IBM)1974: Norio Taniguchi conia il termine “nanotecnologie”1981: Gerd Binnig, Heini Rohrer e Carl Gerber inventano l’STM1986: Smalley scopre i fullereni; Gerd Binnig, Heini Rohrer e Carl Quate inventano

l’AFM1986: K. Eric Drexler pubblica “Engines of Creation” testo futurista sulle

nanotecnologie.

Richard FeynmanNanotubi al carbonio (fullereni) e Richard Smalley

K. Eric Drexler

35 atomi di xenon

1988 La Dupont progetta la prima proteina artificiale1989 D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon1991 S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio1993 Nasce alla Rice University (USA) il primo laboratorio di Nanotecnologie2001 IBM e Università di Delft (NL) creano il primo circuito logico a base di nanotubi2002 Cornell University (NY) realizza il primo nanomotore2003 USA stanziano 3.7 MLD di $ in 4 anni per la ricerca

Nanostoria delle nanotecnologie 2/2

Richard Feynmann:“What I want to talk about is the problem of manipulating

and controlling things on a small scale.”

As soon as I mention this, people tell me… about electric motors that are the size of a finger nail, and that there is a device on the market which can write the Lord’s prayer on the head of a pin. “But that’s nothing; that’s most primitive” I want to discuss the staggeringly small world below.

Feynmann’s speech written at the nanoscale!

K. Eric Drexler usa il concetto di ‘assemblatori,’ dei nanobot capaci di assemblare materiali e dispositivi partendo dagli atomi, in pratica si tratta di dispositivi in grado di costruire qualsiasi cosa, compreso se stessi: per rendere compatibile la creazione utile di oggetti con i tempi dell’assemblaggio da parte di un nanobot (anche prendendo spunto da assemblatori efficientissimi come le DNA polimerasi) bisogna considerare la necessità di avere contemporaneamente al lavoro miriadi di assemblatori, per cui gli assemblatori devono soprattutto assemblare loro stessi.

Filmato ottenibile da www.foresight.org

Why nanotechnologyMatters ?

• The advances in nanotechnology have brought new tools to thefield of electronics and sensors.

• New designed materials offer new and unique propertiesenabling the development and cost efficient production of state-of-the-art components that :

a. Operate Fasterb. Higher Sensitivityc. Consume Less Powerd. Can be packed at much higher densities

I. Numerous products based on nanotechnology have been reaching themarket for some years, all the way to end users and consumers.

II. For instance, at the nanoscale, the resistance dependence of amaterial on an external magnetic field is significantly amplified, whichhas led to the fabrication of hard disks with a data storage density inthe gigabyte and terabyte ranges.

III. Nanotechnology has also enabled the development of sensors suitablefor measurements at the molecular level with an unprecedentedsensitivity and response time, mainly due to their high surface tovolume ratio.

Source: R. Tomellini, DG Research (Commissione Europea)

Source: R. Tomellini, DG Research (Commissione Europea)

Initial Funding2000 The Clinton administration announces NNI, the National Nantotechnology Initiative-large funding now available for projects in nanotech (started in 2001)2003 Beginning of European Framework Programme 6th (FP6, 2003-2006), strongly financing nanotechnological research. Significant funding to nanotechnology was also granted through FP5 (1998-2002). In 2007 the FP7 begun, with substantial funding for nanotechnology and converging technologies.

In the US

Source: National Science Foundation

7th Framework Programme

Source: Small Times Media (2004)

Private investment in nanotech: where does it go?(the situation in the U.S.A.)

INDUSTRY BASED NANOTECH USE

Many new journals are focusing on nanotechnology issues

While several important science journals (in chemistry and physics in particular) are

dedicating a growing portion of their issues to nanotech papers

Nanoelectronics to sustain Moore’s law?

A cosa servono le nanotecnologie?

Trattamenti superficiali che ottengono questo tipo di risultato sono stati sviluppati nel laboratorio di George Whitesides ad Harvard

La superficie delle foglie, specie quelle del fiore di loto, mostra una estrema idrofobicità (grandi angoli di contatto per l’acqua, superiori a 150°)

Queste superfici idrofobiche mostrano anche un rimarchevole effetto autopulente

Spiegazione:-il materiale è idrofobico-c’è una struttura superficiale (20-100 µm)

L’effetto della foglia di loto

Scendendo verso la scala del nanometro, gli EFFETTI DELLA SUPERFICIE sono sempre più importantiSu una particella sferica: S/V∝1/r, per cui è alto se r è piccoloLa composizione chimica del materiale alla superficiedetermina: il comportamento chimico (reattivo / inerte) il comportamento fisico (conduttore / isolante) la polarità (idrofilico / idrofobico) la struttura superficiale su scala molecolareLa topografia (”valli e colline") determina la cinetica della reattività chimica (reazioni lente o veloci, siti reattivi) il comportamento fisico della superficie (riflettività, bagnabilità effettiva) il comportamento tribologico (la frizione su una superficieruvida o liscia)

EFFETTI DI SCALAMolte proprietà fisiche hanno una dimensione caratteristica. Quando una particella (o una dimensione di un oggetto) diventa più piccola di questa dimensione, allora mostra proprietà nuove e caratteristiche. Ad esempio,la struttura elettronica, la conduttività, la reattività, la temperatura di fusione, le proprietà meccaniche cambiano quando la dimensione delle particelle scende sotto una soglia critica. Le nanoparticelle sono più piccole della lunghezza d’onda della luce e interagiscono con essa con effetti quantistici: il loro colore non dipende solo dal materiale, ma anche dalle loro dimensioni. Già nelle vetrate delle chiese medievali, si usavano nanoparticelle di ossidi metallici per colorare: oggi si utilizzano perché sono spesso molto più colorate (o fluorescenti) dei corrispettivi coloranti organici e durano molto più a lungo.

quantum-dots come fluorofori

Fluorescence microscopy of quantum dots internalized in CHO-K1 cells. Cells were labeled in four separate reactions with quantum dots having emission maximas of 519 nm, 535 nm, 587 nm, or 616 nm. Cells were mixed, fixed, and mounted for fluorescence microscopy.

IBM scientists have had some fun manipulating atoms and making pictures!Viewed with an STM.http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html

2000 Eigler and other devise a quantum mirage- placing a magnetic atom at the focus of an elliptical ring of atoms creates an mirage atom at the other focus- transmitting info without wires?

(Fasi di costruzione di un recinto quantico, Don Eigler, IBM)

[a boy and his atom]

Why can’t we just scale down machines, build the same mechanical parts only smaller? Stickiness, Brownian motion, surface to volume ratio, weird quantum forces

• Water, at the nanoscale, is not the free flowing liquid we are used to in the macroscale. Tiny objects in water are surrounded by a sticky viscous fluid-more like molasses.

• The properties of fluids at the nanoscale become dominated by viscosity.• In order to move forward, the volume of fluid we have to move out of the

way, in a given time, varies like the velocity (v) times the area (a). Momentum (p) is mass times velocity. Mass is density (ρ) times volume. Inertial force is;

Force = dp/dt ~ ρa²v² Force of viscosity is; F= ηav, where η is the liquid viscosity.

The ratio gives Reynolds number; (Inertial Force)/(Viscous Force) = ρav/ η

As you can see for a smaller surface area (a), the ratio gets smaller and hence the effect of viscosity gets greater and will affect the motion of the small object more.

A bacterium is a million times smaller than a human, so the bacterium feels water one million times more viscous than we do!

Brownian Motion• Objects under a microscope appear to

be undergoing continuous random motion-jiggling.

• This is due to the constant bombardment of a microscopic object by atoms and molecules. Atoms and molecules are always in constant motion and they collide frequently with other larger objects, making the object, look like it is jiggling around by itself. You cannot see the atoms bombarding the larger object.

• The discrete nature of atoms means that it is possible to have an imbalance in the number of impacts from one direction, hence the object moves one way and then another in an apparent random motion or “random walk”.

[filmato]

Working Group NanotechnologyDr. Péter Krüger • May 2009 • Seite 2 peter.krueger@bayerbms.com

Nanotech: purposeful tool or process to engineer matter on a scale betweenappr. 1 and 100 nm, to achieve modified or new sized dependent properties

Nanoscale and Nanotechnology

Molecules

Atoms 0,1 nm

1 nm

10 nm

100 nm

1 µm

10 µmO

HHBulk

Nanoparticles

Larg

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lum

e-R

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Objects for comparison

Micromachines

Blood cell

DNA(width)

Protein

Bacteria

Human hair

VisibleLightVirus

SmokeParticle

Pigments

DispersionsColloids

Smal

l Sur

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Rat

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MATERIALI NANOSTRUTTURATI CON PROPRIETÀ ECCEZIONALI

Controllando la struttura dei materiali sulla scala dei nanometri si possono ottenere materiali con proprietà molto superiori a quelle dei materiali conosciuti.

Un esempio delle possibilità è offerto da un caso “naturale” oggetto di studi nanotecnologici: la seta del ragno.

Questa è molto promettente per le applicazioni tecnologiche e potrà ricoprire un grande valore economico. Ha proprietà eccezionali di resistenza allo stiramento (meglio dell’acciaio), una estensibilità paragonabile alla gomma, grande capacità di assorbire acqua (come la lana) ed è biodegradabile. Le proprietà meccaniche della seta di certi ragni (Nephila clavipes) è persino superiore a quella del Kevlar, utilizzato oggigiorno per i corpetti antiproiettile.

Gli organi del ragno che filano la seta

Le proprietà sono dovute sia alla sequenza di amminoacidi, che alla tecnica di filatura: questi producono una nanostrutturazione sia resistente che elastica.β-sheets

Product life time, Nano in Steel? CNT > 500 years..

Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre

Nano in Construction

http//www.nanodynamics.com/encement.php

Additive to ordinary cement

Reduces shrinkage of pre-fabricated structures

Rapid set times

Significant increase in compressive strength

Minimizes energy consumption and carbon

footprint by reducing material requirements

Low-impact manufacturing process

The Lycurgus Cup(The British Museum)Late Roman, 4th century ADProbably made in RomeThe opaque green cup turns to a glowing translucent red when light is shone through it. The glass contains tiny amounts of gold and silver nanoparticles, which give it these unusual optical properties.

Le nanotecnologie prendono spunto dalla natura

Seguire l’esempio della natura prendendo spunti e mettendo insieme tecnologia artificiale e biomimetica. Un esempio è ingegnerizzare un adesivo prendendo spunto dall’adesione del geco e della cozza.

Achievements in devices and systems

• Carbon nanotubes as emitters for FED (Field Emission Display)

• Samsung SDI and LG Electronics• 38 inch FED demonstrated

• ZnO nanorods for display applications• POSTECH

Cross sectional view of typical CNT-emitters by Samsung Advanced Institute of Technology

Retail Product on the market: CORSA NANOTECH• High Altitude Climbing, Ski Mountaineering• Second lightest ice axe in the world!• Sandvik Nanoflex® steel pick and spike for durability and ice penetration• Ideal for snow travel and self arrest• Can be used as an anchor for glacier rescue and traversing cornices• Nylon spike plug on all lengths keeps ice out of shaft• Optional sliding leash (1305) easily attaches to shaftThe most advanced mountaineering ice axe on the market. Employs the same 7075-T6 aluminum alloy as the hyperlight Corsa, but features innovative Sandvik Nanoflex® steel reinforcements on the pick and spike. The steel components dramatically increase the durability and strength of these critical points without significantly increasing the weight of the axe. In addition, the Corsa Nanotech has an aggressive single-curve shaft that provides better clearance without interfering with walking or plunging performance. Can be fit with either the sliding leash (1305) for mountaineering or the Alpina leash (1304) for alpine climbing.SPECSID: 1429Sizes: 50, 60, 70 cmShaft: BPick: BSpike: Sandvik Nanoflex SteelLeash: NoWeight: 250 g, 8.8 oz$159.95 USD

http://www.nanotechproject.org

Per proprietà meccaniche …

Benefit:- Stronger- More stable- More power

Nano-enhanced fabric: the lotus leaf effect in your wardrobe

[filmati]

• Avoids electrostatics

[filmato proprietà elettrostatiche]

[filmato impermeabilità]

Trattamenti superficiali disponibili commercialmente

filmato

Nano in Cosmetics, >20 year old story of money makingBesides all the small SMEs, some samples how big industries benefitfrom nano-inside:L’OrealL’Oreal, the world’s largest cosmetics company, is devoting about $600million dollars, of its $17 billion dollar revenues, to Nano patents, andhas patented the use of dozens of “nanosome particles” 800 timessmaller than a human hair as delivery systems for nutrients. With 192patents in Nanotechnology, L’Oreal now ranks No. 6 amongNano patents in the United States. At L’Oreal factories,nanosize bits are being created with high-pressuremachinery that fires droplets of material at thespeed of soundhttp://www.nanoscienceinstitute.com/NanoCosmetics.htmShiseidoShiseido independently developed the "nano-coating technology" in 1988to treat the powder surface with an ultrathin film. The technology improvedthe functions of cosmetics in various ways: the color production anddispersibility of colored powder were improved and the smell change wasreduced(http://www.shiseido.co.jp/e/ken/develop/dvp_fti.htm)and a wide range of SME, selling e.g. nano enhanced sol-gel based nail coatings

Prodotti sul mercato: sono già molti, anche per uso alimentare/cosmeticoNanoceuticals™ Slim Shake Chocolate

Company: RBC Life Sciences®, Inc.Product Web Site

What They Say“The natural health benefits of cocoa have been combined with RBC’sNanoCluster™ delivery system to give you CocoaClusters a technologicallyadvanced form of cocoa that offers enhanced flavor without the need for excesssugar.”“The natural benefits of cocoa have now been combined with modern technologyto create CocoaClusters. RBC’s NanoClusters are tiny particles, 100,000th the sizeof a single grain of sand, and they are designed to carry nutrition into your cells.* During the process of creating NanoClusters, pure Cocoa is added to the “Cluster”formation to enhance the taste and the benefits of this treasured food.”

“RBC Life Sciences®, utilizing the incredible new nanotechnology, developed a new line of nutritional and skincare supplements called NanoCeuticals.™NanoCeuticals™, with nanoscale ingredients, allow RBC to create products that:Scavenge more free radicals Stimulate the source of energy Increase hydrationBalance the body’s pH Reduce lactic acid during exercise Reduce the surfacetension of foods and supplements to increase wetness and absorption of nutrientsR&D Scientists at RBC also developed NanoClusters™, a nanosize powder thatcombines with nutritional supplements. When consumed, it reduces the surfacetension of foods and supplements to increase wetness and absorption of nutrients. http

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nano

tech

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Un inventario dei prodotti contenenti componenti ‘nanotech’ presenti sul mercato: [link]Documenti 2012 dell’FDA con raccomandazioni per i prodotti dell’industria alimentare(link) e cosmetica (link) riguardo alle nanotecnologie.

Primea RingCompany: Saeco USA Inc.What They Say“Nanotechnology: Standard on all Primea machines, nanotechnology ensures the milkfrothed inside the machine does not adhere to any of the internal components. A silver ion coating inhibits the milk from building up on the internal facets of the machine. By touching the appropriate icon, the machine will perform a cleaning cycle using the nanotechnology to remove any milk that may be left in the machine after frothing or steaming.”Nanotea

Company: Shenzhen Become Industry & Trade Co., Ltd.

“Prepared with nano-technology, the nano-tea can release effectively all the excellentessences of the tea, thus boosting the adsorption (adsorbing viruses, free radicals, cholesterol and blood fat) and annihilation of viruses through penetration so that a good supplement of selenium can be achieved and the selenium supplement functioncan be increased by 10 times.”

http://www.nanotechproject.org

Gammapiu Sintech hairdryerCompany: GAMMAPIUWhat They Say“The 999‰ silver plated front grill, thanks to the Silver Nano Technology, releases Ag+ micro-particles and negative ions: for healthier hair, quicker drying, shine, brilliance and reduced static electricity”

Milk Shake Permenant Colour (hair dye)Company: z.one conceptTMProduct Web Site“…the new patented NanoBioGenius technology…”

A creative permanent colour based on nanotechnology. An oxidation dye that can permanently transform the natural pigmentation of the hair, giving rise to an unbelievable shininess as well as to intensive, vibrant colours. Intensive, uniform and long-lasting results with rich, shiny tones are ensured by the NanoBioGenius Technology.

Hair Power Nano-Tech Solutions ShampooCompany: ALFAPARF Milano“Nano-Technology: advanced hair cosmetic solutions with nanospheres”“The 1st treatment line with nanospheres designed to prevent and solve scalp problems such as dandruff, seborrhoea and thinning hair.”“Hair Power nanospheres with vitamins: nanometric carriers (one milion of millimetre) that function at the cellular level to deliver deep, potent vitamin power while helping to regenerate cells and rebalance the scalp’s physical properties.”

http://www.nanotechproject.org

[filmato]

COSA SONO LE NANOBIOTECNOLOGIE?Sono un sottoinsieme delle nanotecnologie: studi e costruzioni a livello atomico usando building-blocks biologici. Sono ovviamente correlate da vicino alle biotecnologie ma con la possibilità aggiunta del controllo dei dettagli atomici degli oggetti costruiti. Il più delle volte comprende un uso nuovo o anomalo delle macchine molecolare e dei dispositivi biologici.

Le nanobiotecnologie sono un campo di ricerca interdisciplinare e giovano della chimica, della fisica, della biologia, dell’informatica.

Le nanobiotecnologie come erano intese negli anni ‘60 (un fotogramma da “Viaggio allucinante,” 1966)

Semantica?

Le Nanobiotecnologie comprendono lo studio delle interazioni tra i materiali e gli strumenti delle nanotecnologie e le molecole biologiche, o la possibilità di costruire oggetti non naturali con proprietà innovative con le molecole biologiche o facendo ibridi delle molecole biologiche con altre strutture.

L’autoassemblaggio è all’ordine del giorno nei sistemi biologici (ma così duramente ottenuto nelle nanotecnologie “classiche”) e può essere sfruttato per fare costruzioni, come nell’esempio a fianco ove la presenza di un DNA bersaglio promuove la creazione di complesse strutture con nanoparticelle inorganiche. La presenza del DNA bersaglio è così rivelata grazie alle proprietà particolari della nuova costruzione (alternativamente la nuova costruzione può servire per sequestrare il DNA bersaglio dalla soluzione)

Ad esempio il legame di DNA su una microleva dove questo trova una sequenza di oligonucleotidi ad essa complementare produce variazioni nel comportamentoo fisico della microleva e quindi rivela la presenza del DNA target in una miscela complessa di DNA ed altre molecole. È questo un approccio alternativo ai DNA-array, con una lettura integrata del segnale: senza bisogno di etichettare il DNA (ad esempio con molecole fluorescenti) e potendo costruire chip con i loro rivelatori integrati delle dimensioni dei micrometri)

So what tricks does Nature use and what can we borrow?•Self assembly methods, used by lipids or cell walls, DNA (software) and proteins (hardware machines of the cells)

•Molecular recognition (selective bonding or stickiness)

•Brownian motion•Activated conformational change (molecules folding up in a certain way)

E.g.: Photosynthesis uses all the above tricks to convert solar power into usable energy for cells.

Paralleli tra motori tecnologici e biologici

Paralleli: un ribosoma ed una catena di montaggio robotizzata

Comprendono ad esempio lo studio come molecole singole dei nanomotori biologici e la loro inclusione in nanocostruzioni decontestualizzate rispetto al loro ambito naturale: ad esempio immobilizzate su nanocircuiti ottenuti per litografia

A volte i nanomotori appaiono decisamente simili ai macromotori

Il motore che muove un flagello

Ad esempio il motore molecolare F1 ATPasi, isolato dalle cellule, è stato legato covalentemente ad un supporto microfabbricato, in modo che le molecole si legassero stabilmente in modo orientato ed in punti determinati (ordinati) e noti. Sui motori è stato legato un braccio, anch’esso di materiale inorganico. All’aggiunta di ATP i motori ruotano i bracci.

Montemagno e collaboratori

Il movimento dell’ATPasi rivelato nel lab. di Kinosita

Nei motori convenzionali l’energia viene convertita in movimento, in quelli molecolari, invece, l’energia viene spesso usata per interrompere un movimento. Il mondo in miniatura è regolato da fluttuazioni termiche e quantomeccaniche ed i motori funzionano nei pressi dell’equilibrio termico. Per le molecole muoversi in maniera deterministica è difficile come camminare dritti all’interno di un uragano. Il trucco che usano le molecole per tirare fuori qualcosa di buono dal “rumore browniano” è quello di selezionare le variazioni casuali desiderate da quelle indesiderate.

Spesso i motori macroscopici e quelli molecolari funzionano con principi diversi (ed efficienze diverse)

(Univ. Sapienza, Roma)[filmato]

LE TECNICHE DELLE NANOBIOTECNOLOGIEMoltissime sono le tecniche sperimentali utilizzate nelle nano(bio)tecnologie, rispecchiando la multidisciplinarità degli approcci e delle competenze coinvolte. Alcune tecniche, però, sono state ideate ed ottimizzate con il nanomondo in mente, per visualizzare, misurare e manipolare oggetti della scala dei nanometri, operando con forze dell’ordine di quelle di interazione tra le molecole. Alcuni esempi:- Le tecniche di fluorescenza (spettroscopia e microscopia) di singola molecola- Le microscopie a sonda- Le pinzette laser (optical tweezers)

Principio dell’AFM e cantilevers

Manipolazione con optical tweezers

Microscopia a fluorescenza di singole molecole

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Single molecule

activityfre

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time

Single molecule techniques

-Probability distribution function- frequency histogram of the actual distribution of values

-Important for systems which may show local heterogeneity

-May reveal unusual phenomena not observed in bulk measurements