Quaderni di Città dei Mestieri

Lavorare con leNanotecnologie

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cittàdei Mestieri

di Milanoe dellaLombardia

Introduzione

Gli oggetti sono costituiti da atomi, e il modo in cui gli atomi sono aggregati ha di-rette ed importanti conseguenze sulle proprietà macroscopiche di tali oggetti.La possibilità di agire in maniera controllata su scala atomica modulando le pro-prietà di un oggetto ne determina la funzionalità specifica in quanto materiale e nonpiù semplice oggetto.La nanotecnologia è la disciplina che permette di comprendere e intervenire sui pro-cessi che regolano l’aggregazione di atomi o molecole al fine di produrre materialicon proprietà uniche e spesso innovative, in accordo con le esigenze tecnologiche.L’emergere di proprietà inaspettate, anche in materiali di utilizzo quotidiano, si ba-sa sull’evidenza sperimentale che riducendo le dimensioni di un sistema, esso assu-me comportamenti completamente diversi e a volte anti-intuitivi sulla base della no-stra esperienza macroscopica. Ciò è dovuto al fatto che man mano che si scende ver-so una scala microscopica, le leggi della fisica classica vengono a cadere, e si entranel campo della meccanica quantistica. Gli esempi sono molteplici, come si avràmodo di constatare.

Un po’ di storiaUna breve cronistoria delle nanotecnologie può essere fatta cominciare nel 1959,quando Richard Feynman suggerì per la prima volta il concetto di nanotecnologia:“Quello di cui voglio parlare è la questione di poter manipolare e controllare gli og-getti su scala minuscola [...] non discuterò come lo si possa fare, ma solo che è pos-sibile in linea di principio, ossia in accordo con le leggi della fisica”.Fu solo nel 1974, però, che Norio Taniguchi coniò il termine nanotecnologia, di-stinguendo un nuovo livello applicativo su scala, appunto, nanometrica: 1 nanome-tro (nm) equivale ad un miliardesimo di metro (per confronto, un capello ha lo spes-sore di 80.000 nm).Gli anni ’80 diedero un notevole contributo alle scoperte in ambito nanotecnologico.Nel 1981 si deve a Gerd Binnig e Heinrich Rohrer dell’IBM di Zurigo l’invenzione– che valse loro il premio Nobel per la fisica nel 1986 – del microscopio a scansio-ne a effetto tunnel (STM), uno strumento capace, per la prima volta, di fornire im-magini a risoluzione atomica.Nel 1985 il gruppo di Richard Smalley alla Rice University (Texas) identificò unamolecola costituita da 60 atomi di carbonio, il fullerene – una sorta di pallone da cal-cio su scala nanometrica – destinato a diventare il capostipite di una nuova classe dimateriali: i nanotubi. Per questa scoperta, Smalley, HaroldKroto e Robert Curl ricevettero il premio Nobel per la chi-mica nel 1996.Del 1986 è l’invenzione di uno strumento analogo al STM,ma di più ampia applicazione: il microscopio a forza atomi-ca (AFM).Nel 1989 il STM diventa uno strumento di manipolazione,oltre che di visualizzazione, degli atomi: grazie all’utilizzo

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I testi sono stati realizzati da Sabrina Sicolo e Umberto Martinez, dottorandi in Scienze Chimichee in Scienza dei Materiali presso l’Università degli Studi di Milano Bicocca, con la consulenza delprof. Gianfranco Pacchioni, direttore del Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università degliStudi di Milano Bicocca.Editing a cura di Città dei Mestieri di Milano e della Lombardia.

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Ma l’attuale ricerca in ambito nanotecnologico è anche volta a migliorare le presta-zioni di materiali e processi sintetici noti già da tempo.

È il caso della vulcanizzazione, processo di lavorazione del-la gomma durante il quale essa viene legata chimicamenteallo zolfo mediante riscaldamento. Attraverso questo pro-cesso, scoperto casualmente da Charles Goodyear nella pri-ma metà del XIX secolo, si ottiene un materiale con pro-prietà meccaniche (elasticità, resistenza all’usura, ...) mi-gliori rispetto a quelle dei suoi precursori. Oggi, molte tra leproprietà salienti degli pneumatici sono dovute alle cosid-dette cariche, piccole quantità di sostanze inorganiche ag-

giunte alla mescola polimerica in fase di realizzazione dello pneumatico stesso. Queste dispersioni di materia inorganica in matrice polimerica sono denominate na-nocompositi.Abbiamo già accennato al fatto che la riduzione sistematica delle dimensioni si ac-compagni a nuove ed esotiche proprietà chimico-fisiche, spesso non prevedibili oaddirittura controintuitive. Conosciamo tutti l’inerzia chimica dell’oro, che proprioper questa proprietà è utilizzato da sempre in oreficeria. Ebbene, nanoparticelle dioro dimostrano una sorprendente attività catalitica (un catalizzatore è una sostanzain grado di promuovere determinate reazioni che normalmente sarebbero poco effi-cienti), sfruttabile, ad esempio, per l’abbattimento dell’inquinamento.In tutt’altro settore, le nanotecnologie stanno rivelando le loro potenzialità per losviluppo di prodotti farmaceutici. Grazie alle loro dimensioni, le nanoparticelle so-no in grado di migrare all’interno di un organismo senza essere neutralizzate daglianticorpi, e agire quindi da traccianti per il rilevamento diagnostico in vivo di par-ticolari cellule target.Appare quindi chiaro come le nanotecnologie siano il simposio di diverse discipli-ne e ambiti scientifici (fisici, chimici, biologici), accomunati da una peculiarità: lacuriosità nell’avvicinarsi ad un mondo infinitamente piccolo, che è sempre stato in-torno e dentro di noi, ma che paradossalmente ci è del tutto sconosciuto proprio per-ché al di fuori della nostra esperienza quotidiana. L’esplorazione di questo mondoha già rivelato molte potenzialità, e lo sforzo della comunità, scientifica e non, de-ve essere volto a una maggiore comprensione e accettazione degli strumenti chel’infinitamente piccolo ci offre.

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della punta del microscopio come una minuscola pinza, lo scienziato Don Eigler fuin grado di riprodurre il logo dell’IBM posizionando uno alla volta degli atomi dixenon su una superficie di nichel.

L’avvento delle nanotecnologie come risorseper l’elettronica fu previsto, in tempi non so-spetti, nel 1965, quando lo scienziato GordonMoore, co-fondatore della Intel, pronosticòche il numero di transistor in un circuito inte-grato – proporzionale alla potenza computa-zionale dei pc – sarebbe raddoppiato sistema-

ticamente ogni 18 mesi. Questa predizione, che si è rivelata sorprendentemente ve-ritiera e precisa, è stata ribattezzata “legge di Moore”. Nel 1965 un singolo chip alloggiava 30 transistor; solo sei anni più tardi il primochip prodotto dalla Intel ne conteneva 2000. Oggi i chip contengono milioni di tran-sistor le cui dimensioni sono dell’ordine di 100 nm. Siamo tutti in grado di verifi-care la validità della legge di Moore quotidianamente: basti prestare attenzione a co-me, nel mercato dell’elettronica, ci sia un continuo rinnovo di prodotti e tecnologie,e come un prodotto estremamente avanzato in un dato momento diventi obsoleto giàdopo pochi mesi, con il conseguente calo di prezzi associato.

Top-down e bottom-upA questo approccio, che scalando le dimensioni dei componenti dal macroscopicoal microscopico viene denominato top-down, se ne giustappone un altro che si basasulla filosofia inversa: creare strutture nanometriche in seguito all’organizzazionespontanea di unità costitutive (auto-assemblamento) quali atomi o molecole. Que-sto approccio è denominato bottom-up.L’approccio bottom-up trova applicazione principalmente, ma non solo, nell’ambi-to delle nanotecnologie organiche.Un esempio di sistemi auto-assemblanti sono i cristalli liquidi, che trovano lar-ghissimo impiego nella fabbricazione di schermi piatti ad elevata risoluzione e bril-lanza.L’auto-organizzazione e l’approccio bottom-up trovano un riscontro già in natura, intutte le strutture biologiche, dal DNA alle pareti cellulari, soddisfacendo i requisitidi ordinamento, riproducibilità e dimensioni che contraddistinguono i dispositivi na-notecnologici. Ed è proprio volendo imitare la natura che è nata la sfida di realizza-re strutture artificiali in grado di organizzarsi spontaneamente e svolgere alcune fun-zioni elementari come quelle meccaniche.La prima allusione alla possibilità di creare simili sistemi fu ventilata nel 1986 daEric Drexler nel suo libro I motori della creazione, dove l’autore ragionava sullapossibilità fisica di realizzare automi nanometrici in grado di espletare semplici fun-zioni meccaniche. Oggi, molecole organiche artificiali come i rotaxani sono in gra-do di agire da nano-ascensori se sottoposti ad un opportuno stimolo quale un cam-po elettrico.Un recente esempio di studio mosso da paragoni con la natura è la realizzazione dimateriali adesivi basati sulle stesse interazioni che intercorrono tra le zampe di ungeko e quasi tutte le superfici esistenti, naturali o artificiali.

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Le nanotecnologie poi possono contribuire in svariati settori: sono chiamate tecnolo-gie abilitanti proprio perché rendono possibile operare su una gamma ampia di dif-ferenti campi. Possono contribuire ai processi produttivi, ai controlli ambientali, allasicurezza che oggi è diventata una priorità. Si hanno così nanotecnologie per i mate-riali, per l’elettronica, per le applicazioni biologiche e medico-sanitarie, per l’am-biente, per i processi chimici. Assecondando l’interdisciplinarietà suggerita da questo quadro, una scelta naturaleper chi intende avvicinarsi in modo professionale alle nanotecnologie ricade sullascienza dei materiali, un compendio di conoscenze fisiche e chimiche finalizzato afornire le competenze necessarie alla comprensione e manipolazione delle proprietàdei materiali. La scienza dei materiali è una disciplina relativamente giovane in Italia, ma vantauna tradizione pluridecennale in Europa.Il percorso formativo tende a dare una vasta panoramica sulle tipologie di materia-li e le loro applicazioni (polimeri, semiconduttori, metalli, ceramici, materiali orga-nici, ...) ponendo l’accento sui meccanismi microscopici che ne determinano le pro-prietà. Ed è qui che entrano in gioco le competenze di fisica (struttura della materiaa livello atomico), di chimica (sintesi in laboratorio) e ingegneria (proprietà macro-scopiche e applicazioni).Il corso di laurea in scienza dei materiali non è però l’unico in grado di fornire com-petenze nanotecnologiche. Abbiamo visto che le nanotecnologie sono altamente in-terdisciplinari, e corsi di laurea in fisica, chimica, ingegneria e in taluni casi anchebiotecnologie possono condurre ad un’attività di ricerca nell’ambito delle nanotec-nologie.In linea di principio, il percorso formativo ideale prevede l’acquisizione della lau-rea di primo livello e di quella specialistica, oltre che di uno specifico corso trien-nale di dottorato; attualmente su tutto il territorio italiano esistono almeno quattrocorsi di dottorato rivolti esplicitamente alle nanotecnologie, e altri quindici che pre-vedono attività attinenti.

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Il percorso professionalizzante

Come è emerso dall’introduzione, le Nanotecnologie non sono una scienza nuovache si aggiunge alle discipline accademiche più tradizionali in funzione di un pro-cesso di specializzazione più avanzata; al contrario si tratta piuttosto di un modo diconciliare discipline apparentemente indipendenti: le nanotecnologie sono una di-sciplina altamente interdisciplinare.

Le diverse discipline confluiscono verso le nanotecnologie secondo percorsi distin-ti. Per esempio, la fisica dei materiali e dei semiconduttori procede con un proces-so di progressiva riduzione della dimensione degli oggetti di studio che parte dallascala macroscopica: quella tangibile che si percepisce nell’esperienza comune. Unesempio è la miniaturizzazione in elettronica, oltre la quale si entra nella dimensio-ne nanometrica con un processo che va dal grande al piccolo (l’approccio top-down). La chimica è da sempre considerata la scienza delle molecole. Le molecoleorganizzate al fine di svolgere una funzione non convenzionale portano il chimico adialogare con i saperi del fisico relativamente all’organizzazione funzionale di mo-lecole (approccio bottom-up). La biologia, come abbiamo visto, fornisce spesso l’i-spirazione alla logica e alla dinamica delle nanotecnologie: per questo i biologi pos-sono dare un valido contributo.E ancora, tutte le volte che le nanotecnologie si scontrano con problemi strettamen-te applicativi occorre la competenza degli ingegneri.

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Lauree specialisticheDopo aver conseguito il titolo di laurea triennale, lo studente può quindi frequenta-re un corso di laurea specialistica, le classi di laurea più idonee per un futuro “na-notecnologo” sono le seguenti:

• Scienza e Ingegneria dei Materiali (S61)• Scienze chimiche (S62)• Fisica (S20)• Ingegneria Chimica (S27)• Ingegneria Biomedica (S26)• Ingegneria Elettronica (S32)• Biotecnologie Industriali (S8)• Biotecnologie Mediche, Veterinarie e Farmaceutiche (S9)

I corsi di laurea specialistica durano 2 anni e hanno l’obiettivo di fornire allo stu-dente una conoscenza più approfondita per l’esercizio di attività di elevata qualifi-cazione nell’ambito chimico, fisico, matematico, ingegneristico e biotecnologico.Forniscono ai laureati una formazione culturale e professionale avanzata che per-metterà loro un’elevata autonomia nell’ambito del lavoro, con responsabilità di pro-getti e capacità di ricerca.

Corsi post-laurea I corsi di perfezionamento e i master di primo e secondo livello vengono organiz-zati di solito dai singoli Atenei, ma esistono anche scuole specializzate che eroganoformazione altamente qualificata nei diversi settori scientifici. Questi corsi propon-gono un programma di formazione interdisciplinare che affianca a strumenti e soli-de competenze tecniche, competenze di gestione, promozione e sviluppo dell’inno-vazione scientifica e tecnologica.

Dottorato di ricercaÈ la scelta obbligata se si vuole percorrere la carriera accademica, ma non solo. Ildottorato di ricerca è soprattutto un percorso di crescita personale e professionale.Ha una durata di 3 anni, generalmente retribuiti, a cui si accede dopo il superamen-to di un esame che consiste in una prova scritta ed una orale.Il principale compito di un dottorando è lo svolgimento di un proprio progetto di ri-cerca che verrà valutato annualmente. È inoltre affiancato un programma didatticoche dipende dal corso del singolo ateneo, generalmente consiste in lezioni integra-tive e seminari. Il dottorato può prevedere un periodo di lavoro all’estero. Ai fini delconseguimento del titolo di Dottore di Ricerca è richiesta la stesura di una tesi in cuivengono riportati i principali risultati dell’attività di ricerca svolta.

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Il percorso formativo ideale

Lauree di I livelloCon la riforma della formazione universitaria, sono state attivate numerose classi di laureadi primo livello in ambito chimico, fisico, matematico, ingegneristico e biotecnologico:

• Scienze e tecnologie chimiche (classe 21)• Scienze e tecnologie fisiche (classe 25)• Ingegneria dell’Informazione (classe 9)• Ingegneria industriale (classe 10)• Biotecnologie (classe 1)

I corsi di laurea attivati all’interno di queste classi hanno durata triennale ed hanno l’o-biettivo di assicurare il raggiungimento di un’adeguata preparazione teorica e praticanei relativi ambiti scientifici per poter poi operare nel settore delle nanotecnologie.Gli studenti, alla fine del triennio, possiedono in riferimento allo specifico settore scelto:

– un’adeguata conoscenza degli aspetti di base, teorici e sperimentali;– capacità di utilizzare competenze operative e di laboratorio e adeguate metodologie di

indagine in relazione ai problemi applicativi;– adeguate competenze e strumenti per la comunicazione e la gestione delle informazioni.

La formazione generale comprende:– attività formative di base nelle aree delle discipline fisiche teoriche e sperimentali, ma-

tematiche e metodologiche;– attività integrative come lo studio delle lingue straniere e dell’informatica;– attività professionalizzanti mediante insegnamenti specifici e con un tirocinio applicati-

vo presso aziende, industrie del settore o laboratori di ricerca pubblici e privati, cui ècorrelata la prova finale.

Ogni corso di laurea in base agli specifici obiettivi formativi previsti fornisce compe-tenze, conoscenze e abilità specialistiche per determinati ambiti lavorativi. Alcuni cor-si, ad esempio, si concentrano maggiormente sugli aspetti della ricerca quali la misura-zione dei fenomeni e l’analisi dei dati, altri invece sugli aspetti legati all’applicazionedel metodo fisico per la risoluzione di problemi concreti. Questa differenziazione di-pende molto dai singoli Atenei presso i quali sono attivati i corsi di laurea; ogni Facoltà,infatti, ha la possibilità di costruirsi percorsi di studio personalizzati, definendo i pianidegli studi con gli insegnamenti e le corrispondenti attività formative, impartite in ba-se alle proprie competenze e soprattutto al contesto culturale, economico, sociale e pro-fessionale del mondo del lavoro in cui i laureati saranno chiamati ad operare. Al terzo anno è spesso previsto un periodo di tirocinio, da svolgersi presso aziende,enti pubblici e privati, oppure presso i laboratori dell’Ateneo stesso. Questa espe-rienza si conclude con una relazione scritta relativa all’attività svolta, che costitui-sce l’elaborato da discutere in sede di prova finale per il conseguimento della lau-rea. La laurea si consegue con il superamento di un esame finale e l’acquisizione di180 crediti, suddivisi nei tre anni di studio.Conseguito il titolo di laurea triennale, lo studente può frequentare un corso di lau-rea specialistica, oppure iscriversi ad un master di primo livello, o ancora frequen-tare corsi di formazione post-base.

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Ô Università degli studi di Milano (www.unimi.it):“Biotecnologie Farmaceutiche” - Facoltà di Farmacia“Biotecnologie Mediche” - Facoltà di Medicina e Chirurgia“Biotecnologie Industriali e Ambientali” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università dell’Insubria - Varese (www.uninsubria.it):“Biotecnologie” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università degli studi di Brescia (www.unibs.it)“Biotecnologie” - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Lauree specialisticheClasse delle lauree specialistiche in “Scienza e Ingegneria dei Materiali” (S61) Ô Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Scienza dei Materiali” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali“Scienza e tecnologie chimiche” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Politecnico di Milano (www.polimi.it)“Ingegneria dei Materiali” - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali

Classe delle lauree specialistiche in “Scienze chimiche” (S62)Ô Università degli studi di Milano (www.unimi.it):

“Scienze Chimiche” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Scienze Chimiche” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Classe delle lauree specialistiche in “Fisica” (S20)Ô Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università dell’Insubria - Como (www.uninsubria.it):“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università Cattolica del Sacro Cuore - Milano (www.unicatt.it)“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Classe delle lauree specialistiche in “Ingegneria Chimica” (S27)Ô Politecnico di Milano (www.polimi.it):

“Ingegneria Chimica” - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali

Classe delle lauree specialistiche in “Ingegneria Biomedica” (S26)Ô Politecnico di Milano (www.polimi.it):

“Ingegneria Biomedica” - Facoltà di Ingegneria dei Sistemi

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Ingegneria Biomedica” - Facoltà di Ingegneria

Classe delle lauree specialistiche in “Ingegneria Elettronica” (S32)Ô Politecnico di Milano (www.polimi.it):

“Ingegneria Elettronica” - Facoltà di Ingegneria dell’Informazione

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Ingegneria Elettronica” - Facoltà di Ingegneria

Classe delle lauree specialistiche in “Biotecnologie Industriali” (S8)Ô Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Bioinformatica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali“Biotecnologie Industriali” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

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OFFERTA FORMATIVA A MILANO E LOMBARDIARiportiamo qui di seguito alcuni riferimenti riguardo alle opportunità formative a Milano ein Lombardia relative alle professioni del settore chimico, fisico, matematico, ingegneristicoe biotecnologico.Vi ricordiamo, però, che la Città dei Mestieri e delle Professioni di Milano è sempre a di-sposizione per fornire ulteriori informazioni e un aiuto per definire il percorso professiona-le, scegliere una formazione o cercare un lavoro.

Lauree di I livelloClasse delle lauree in “Scienze e tecnologie chimiche” (21)Ô Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Scienza dei Materiali” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali“Scienza e tecnologie chimiche” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università degli studi di Milano (www.unimi.it):“Chimica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università dell’Insubria - Como (www.uninsubria.it):“Chimica e chimica industriale” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Scienze Chimiche” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Classe delle lauree in “Scienze e tecnologie fisiche” (25)Ô Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturaliÔ Università degli studi di Milano (www.unimi.it):

“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturaliÔ Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):

“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturaliÔ Università dell’Insubria - Como (www.uninsubria.it):

“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturaliÔ Università Cattolica del Sacro Cuore di Milano (www.unicatt.it)

“Fisica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Classe delle lauree in “Ingegneria dell’Informazione” (9) Ô Politecnico di Milano (www.polimi.it):

“Ingegneria elettronica” - Facoltà dell’Ingegneria dell’informazioneClasse delle lauree in “Ingegneria Industriale” (10) Ô Politecnico di Milano (www.polimi.it):

“Ingegneria dei Materiali” - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali“Ingegneria Chimica” - Facoltà di Ingegneria dei processi industriali“Ingegneria Aerospaziale” - Facoltà di Ingegneria Industriale“Ingegneria Energetica” - Facoltà di Ingegneria Industriale“Ingegneria Meccanica” - Facoltà di Ingegneria Industriale“Ingegneria Biomedica” - Facoltà di Ingegneria dei Sistemi“Ingegneria Fisica” - Facoltà di Ingegneria dei Sistemi

Ô Università degli studi di Brescia (www.unibs.it):“Ingegneria dei Materiali” - Facoltà di Ingegneria

Classe delle lauree in “Biotecnologie” (1)Ô Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Biotecnologie” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

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Ô Università degli studi di Brescia (www.unibs.it):“Materiali per l’Ingegneria”

Master, corsi di specializzazione e perfezionamentoÔ Scuola Superiore IUSS Pavia (www.iuss.unipv.it)

“Master in Scienza dei Materiali”

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Master in Methods for Management of Complex Systems”

!Attenzione!: le informazioni riguardanti master, corsi di specializzazione e perfezionamen-to qui riportate sono solo a titolo esemplificativo. Tutti i corsi post-laurea sono infatti soggettia modifiche annuali. Per avere maggiori informazioni, Vi consigliamo di contattare diretta-mente i singoli Atenei o di consultare il loro sito web.

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Ô Università degli studi di Milano (www.unimi.it):“Biotecnologie per l’Industria e per l’Ambiente” - Facoltà di Scienze matematiche, fisichee naturali“Genomica Funzionale e Bioinformatica” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Biotecnologie industriali” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Ô Università dell’Insubria - Varese (www.uninsubria.it):“Biotecnologie Industriali e Biocatalisi” - Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali

Classe delle lauree specialistiche in “Biotecnologie Mediche, Veterinarie e Farmaceutiche” (S9)Ô Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Biotecnologie Mediche” - Facoltà di Medicina e ChirurgiaÔ Università degli studi di Milano (www.unimi.it):

“Biotecnologie Mediche e Medicina Molecolare” - Facoltà di Medicina e Chirurgia“Biotecnologie del Farmaco” - Facoltà di Farmacia

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Biotecnologie Mediche e farmaceutiche” - Interfacoltà: Medicina e Chirurgia, Farmacia

Ô Università degli studi di Brescia (www.unibs.it):“Biotecnologie Mediche” - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Ô Libera Università “Vita e Salute San Raffaele” di Milano (www.unihsr.it)“Biotecnologie Mediche Molecolari e Cellulari” - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Dottorati di RicercaÔ Università degli studi Milano - Bicocca (www.unimib.it):

“Scienza dei Materiali” “Nanostrutture e Nanotecologie”“Scienze Chimiche”“Tecnologie Biomediche”

Ô Università degli studi di Milano (www.unimi.it):“Biotecnologie applicate alle scienze mediche”“Fisica, Astrofisica e Fisica Applicata”“PhD in Medical Nanotechnology”“Scienze Chimiche”“Biochimica”“Biologia Cellulare e Molecolare”

Ô Università dell’Insubria - Como e Varese (www.uninsubria.it):“Fisica” “Scienze Chimiche” “Biologia Cellulare e Molecolare”

Ô Università degli studi di Pavia (www.unipv.it):“Bioingegneria e Bioinformatica”“Chimica e tecnologia Farmaceutiche”“Fisica”“Scienze Chimiche”“Biochimica”

Ô Politecnico di Milano (www.polimi.it):“Bioingegneria”“Chimica industriale e Ingegneria Chimica”“Fisica”“Ingegneria dei Materiali”

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giuste risposte alle proprie esigenze, attraverso la presenza di qualificati esperti delsettore. Per le imprese che tra le loro funzioni principali non prevedono ancora la ri-cerca, è offerta la possibilità di intraprendere contatti con i maggiori ricercatori ita-liani e stranieri, per orientarsi in questo mondo ad alto tasso d’innovazione. PressoNanoforum sono inoltre presenti aziende e ricercatori esteri, grazie alla collabora-zione con alcune Camere di Commercio italiane all’estero e a partner stranieri.

In Europa e nel MondoLe nanotecnologie rientrano negli obiettivi di sviluppo di tutti i maggiori Paesi in-dustrializzati. Le spese per l’attività di R&S in questo campo hanno superato nel2005 i 9 miliardi di dollari suddivisi in parti sostanzialmente uguali tra pubblici eprivati. Per rendere più efficace il loro impegno, molti Paesi hanno attivato pro-grammi specifici pluriennali per lo sviluppo delle nanotecnologie.Una delle iniziative più importanti è la National Nanotechnology Iniziative (NNI),avviata nel 2001 negli USA con ingenti fondi federali: per il 2008 il budget preve-de 1,45 miliardi di dollari di cui un 1/4 (375 milioni di dollari) investiti dal Diparti-mento della Difesa.Iniziative simili sono attive in Paesi come Cina (dal 2001, quinquennale), Corea delSud (decennale, dal 2001), Taiwan (su 6 anni, dal 2005), Israele dal 2001, in Irlan-da. In altri Paesi quali Giappone, Germania, Francia, Gran Bretagna e Olanda sonostate create agenzie nazionali ad hoc, spesso con la partecipazione di privati, con lenecessarie risorse tecniche ed economiche.Si valuta il mercato mondiale attuale dei prodotti realizzati con le nanotecnologie a32 miliardi di dollari, che dovrebbero diventare 1000 miliardi nel 2015.Le imprese attive nel settore sono già 1.600 nel mondo; i prodotti sul mercato sonogià più di 200 nei settori dei cosmetici, degli articoli sportivi, dell’abbigliamento,dell’elettronica, dei rivestimenti superficiali, dell’edilizia, dell’ambiente, dell’ener-gia e dell’industria automobilistica.Anche in riferimento ai materiali legati al mondo delle nanotecnologie la situazionea livello mondiale continua ad essere caratterizzata da una leadership incontrastata,sia sul piano produttivo che della ricerca, degli Stati Uniti, dove, per motivi strategi-ci ormai storici, lo sviluppo di materiali e tecnologie fondamentali per l’industria ae-rospaziale e della difesa è oggetto da sempre di importanti finanziamenti governati-vi (DOE [Department of Energy], DOD [Department of Defense], DARPA [Defen-se Advanced Research Projects Agency] e NASA [National Aeronautics and SpaceAdministration]). DARPA, ad esempio, nell’attuale piano strategico, cita la ricerca suimateriali tra le proprie priorità con specifico riferimento ai Materiali Strutturali a bas-so costo e ultra leggeri, Materiali Funzionali avanzati per l’elettronica, Materiali eStrutture “intelligenti”, Materiali per la generazione e lo stoccaggio dell’energia. Sul piano produttivo nel 1998 gli USA assicuravano il 35% della produzione mon-diale di prodotti High-Tech, nei quali sono compresi anche molti tipi di MaterialiAvanzati (Giappone circa 20% e Germania circa 6%) e controllavano il 55% del mer-cato aerospaziale mondiale (Dati National Science Foundation - Science & Enginee-ring Indicators 2002). È interessante notare che per gli USA i tre maggiori mercati diesportazione di Materiali Avanzati sono rappresentati da paesi essi stessi importantiattori del settore: il Canada (24.6%), il Giappone (16,3%) e la Germania (8,7%).

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Ricerca e Sviluppo

In ItaliaIn Italia l’impiego di R&S nel settore delle nanotecnologie è sempre più in crescita,nelle maggiori istituzioni di ricerca pubblica che privata. Per fornire qualche dato,nel 2005 sono stati stanziati 60 milioni di euro di fondi pubblici per le nanotecno-logie, sono attive più di 65 imprese private che lavorano nel settore e più di 4300persone sono coinvolte nelle nanotecnologie. L’area di ricerca maggiormente attiva

è quella dei materiali, sia organici che inorganici, mentre lestrutture di ricerca sono presenti soprattutto in Lombardia,Piemonte, Lazio e Veneto.La ricerca pubblica in Italia è di tutto rispetto: i più grandicentri di ricerca lavorano anche in questo settore, da IN-STM (consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienzae le Tecnologie dei Materiali), INFN (Istituto Nazionale diFisica Nucleare), ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l’E-nergia e l’Ambiente) e CNR/INFM (Centro Nazionale del-le Ricerche, Istituto Nazionale per la Fisica della Materia))

con ben cinque centri di eccellenza: Lecce (Nnl, nanoelettronica e bioelettronica),Pisa (NEST, National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology, fisica nano-metrica), Modena (S3, nanoStructures and bioSystems at Surfaces), Trieste (TASC,Tecnologie Avanzate e nanoSCienza, materiali) e Roma (ISMN, Istituto per lo Stu-dio dei Materiali Nanostrutturati). Esistono circa trentadue strutture universitarie impegnate nelle nanotecnologie indipartimenti quali Fisica, Scienza dei Materiali, Ingegneria, Biotecnologia e Farma-cologia.Nel privato vi sono alcune iniziative che coinvolgono Agilent Technologies, STMi-croelectronics, Pirelli, Alenia Marconi e cominciano ad affacciarsi le prime iniziati-ve nel settore farmaceutico. È importante citare l’attività di coordinamento e pro-mozionale svolta in questo settore da AIRI (Associazione Italiana per la Ricerca In-dustriale). Questa associazione ha dato il via a Nanotec IT, Centro Italiano per leNanotecnologie, che vede iscritti i principali attori pubblici e privati delle nanotec-nologie in Italia, gestisce un proprio sito (www.nanotec.it) con notizie ed eventi nelsettore a livello mondiale, pubblica Nanotec It Newsletter e organizza eventi di di-vulgazione e formazione. L’attività di AIRI in questo settore rappresenta quindi unsignificativo punto di coordinamento e di riferimento per lo sviluppo di iniziative inquesto settore.È opportuno infine menzionare una prestigiosa mostra-convegno che si svolge a Mi-lano da ormai tre anni, dedicata all’incontro tra la ricerca e l’impresa nel settore del-le micro e nanotecnologie: “Nanoforum” (www.nanoforum.it). Nanoforum rappre-senta l’occasione ideale per mostrare le nuove frontiere delle nanotecnologie, oltreche per favorire i processi del trasferimento tecnologico dalla ricerca al settore im-prenditoriale. Nanoforum è stato pensato per tutti quei reparti di ricerca aziendali in cerca delle

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La tabella 1 riporta i livelli di attività di ricerca riguardanti diverse classi di mate-riali in tre diverse aree geografiche: Stati Uniti, Europa e Giappone.Per quanto riguarda le procedure che portano alla sintesi di sistemi nanostruttura-ti, gli Stati Uniti mostrano il maggior livello di competenza, seguiti da Europa eGiappone. Lo stesso andamento si riscontra nei materiali ad elevata area superfi-ciale.Nell’ambito delle applicazioni biologiche, Stati Uniti ed Europa sono alla pari, se-guiti dal Giappone. La stessa gerarchia si osserva nel campo dei rivestimenti. IlGiappone manifesta invece la sua supremazia nel campo dei dispositivi e dei mate-riali allo stato solido.È evidente che questa è solo un’istantanea dello stato dell’arte nel mondo: alla ve-locità con cui progredisce la ricerca, questa situazione è senza dubbio suscettibile dicambiamenti nel tempo.

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Il Governo Giapponese nel The Science and Technology Plan for the 21th centuryindividua quattro settori prioritari per la ricerca nazionale tra i quali “materiali e na-notecnologie”. In questo ambito le aree di intervento raccomandate riguardano: a) le tecnologie di analisi avanzata, fino a livello nanome-trico, di materiali, strutture, superfici e interfacce;b) materiali per applicazioni energetiche e ambientali;c) materiali e loro tecnologie che possano migliorare la qua-lità della vita; d) nanomateriali ultraleggeri e ultraresistenti.In particolare e a titolo esemplificativo si ricorda che già nel1997 la quota di investimenti giapponesi riservati alle nano-tecnologie è stata pari a 120 milioni di euro rispetto ai 130milioni complessivamente investiti, nello stesso anno, dai paesi dell’Europa occi-dentale. Da ricordare, infine, che il budget dedicato dal Giappone nel biennio 1997- 1998 per lo sviluppo di classi innovative di acciai (i Super Steel, Ultra Steel o Ul-trametal) è stato di 50 milioni di euro.Per restare in Estremo Oriente merita sicuramente di essere citato il forte impulsodato alle attività di R&S dal Governo della Corea del Sud con l’obiettivo di portareil Paese all’inizio del 21° secolo nel G8. Sono stati pertanto finanziati, nel periodo1992-2001, una serie di progetti denominati G-7 HAN (Higly Advanced NationalProjects) di cui almeno 5 riguardano tecnologie dei Materiali Avanzati, quali i su-perconduttori, biomateriali, processi di produzione innovativi, Materiali per l’ener-gia, ecc. per un valore complessivo di spesa, nel periodo, di circa 1500 milioni dieuro.In Europa Germania, Francia e Inghilterra sono in grado di esprimere nel settore deiMateriali Avanzati un’autonoma capacità sia produttiva che di Ricerca e Svilupporaggiungendo anche punte di eccellenza mondiale in alcune importanti nicchie tec-nologiche.In Francia, nel 2000, è stato costituito, dai Ministeri per la Ricerca e per l’Industria,il “Réseaux Matériaux et Procédés” con lo scopo di promuovere e finanziare pro-getti consortili, tra industria e ricerca pubblica, sulle tematiche dello sviluppo di Ma-teriali Avanzati e relative tecnologie, ecocompatibili, di produzione, messa in for-ma, protezione superficiale, riciclaggio. Al 31 luglio 2002 erano stati presentati pro-getti per 57 milioni di euro con un corrispondente finanziamento pubblico di 27,5. Aree di intervento raccomandate sono i prodotti in acciaio, le leghe leggere con par-ticolare riferimento a quelle di alluminio, la metallurgia delle polveri, l’Ingegneriadelle superfici, le nanotecnologie, i Materiali ceramici avanzati compresi i refratta-ri, i biomateriali, i compositi, i Materiali optoelettronici. A livello comunitario la R&S sui Materiali e relative tecnologie è stata sempre con-siderata di alta priorità come dimostra il progressivo incremento di fondi ad essa de-stinati passando dal 3° Programma Quadro (730 milioni di euro pari all’11,5 % sultotale dei fondi) al 5° Programma Quadro (2.620 milioni di euro pari al 18 %). Il 6°P.Q., viceversa, fa registrare una inversione di tendenza, seppur mitigata da una im-portante enfasi sulla tematica dei nanomateriali e nanotecnologie per la quale si pre-vede una spesa di 1300 milioni di euro.

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Tab. 1

Materiali ad elevataarea superficiale

Metodi di sintesi

Applicazionibiologiche

Rivestimenti

Dispositivi

Materiali allo statosolido

USA

USA

USA/Europa

USA/Europa

Giappone

Giappone

Europa

Europa

Giappone

Giappone

Europa

USA/Europa

Giappone

Giappone

USA

Livello di competenza 1 2 3

pulso elettrico. Con l’avvento delle Phase-Change RAM potrebbe essere possibilearchiviare una quantità di dati pari a 1 Terabit (1024 volte un Gigabit) sulla super-ficie di un francobollo.Sull’altro versante (Magnetic RAM), l’avvento della spintronica permette di discri-minare gli elettroni non più solo in base alla loro carica elettrica, ma anche in base alloro spin, ovvero il loro momento magnetico. Questo consente di archiviare quantitàdi informazioni su una scala spaziale più fine, e di raggiungere quindi elevate densitàdi dati. Questo sviluppo riveste un grande interesse per le memorie non volatili e por-terebbe a lungo termine alla sostituzione dei dischi rigidi ad attivazione meccanica.Si è già fatto cenno alla scoperta che nel 1985 portò all’identificazione del fullere-ne; questo aggregato di carbonio costituisce il precursore di una nuova classe di ma-teriali:i nanotubi, piani di esagoni di carbonio arrotolati su loro stessi e chiusi alleestremità con due semisfere di fullerene. Questi sistemi tubolari, in virtù delle loro eccellenti proprietà elettriche, hanno pro-mettenti potenzialità come minuscoli fili per circuiti nanometrici costruiti con ap-proccio bottom-up.Abbiamo quindi seguito il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica e al-la spintronica, ma un’altra branca dell’elettronica, l’optoelettronica, si presta moltobene a fornire applicazioni per dispositivi nanometrici. Nell’optoelettronica, la pos-sibilità di convertire segnali elettrici in segnali luminosi, e viceversa, consente diimmaginare dispositivi di calcolo che utilizzino almeno in parte la luce come vetto-re di informazioni: la velocità di calcolo di simili apparecchiature sarebbe quindistraordinariamente più elevata dei comuni dispositivi elettronici.I sistemi nanometrici votati a simili applicazioni sono le cosiddette strutture quan-tiche confinate, sistemi nei quali non solo le dimensioni sono importanti, ma anchela dimensionalità: con particolari tecniche di preparazione nell’ambito top-down èpossibile generare strutture non più tridimensionali, ma anche bi-, mono- e zero-di-mensionali. Sistemi siffatti sono in grado di emettere luce caratterizzata da coloristrettamente connessi alle dimensioni della struttura.

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Applicazioni

Nanoelettronica

Il grafico riporta una rappresentazione della validità della legge di Moore dalla suaformulazione sino ai tempi recenti, con i nomi dei processori che hanno contraddi-stinto i vari passaggi del processo di miniaturizzazione.

È immediato immaginare come la validità delle legge di Moore preveda, in un fu-turo molto prossimo, il raggiungimento di un limite fisico alla realizzazione dei di-spositivi. Il limite fisico è naturalmente imposto dalle dimensioni finite degli atomi,al di sotto delle quali non è possibile scendere. Questo è un chiaro segnale che qual-cosa deve cambiare nel modo di concepire i dispositivi elettronici ed evolversi ver-so tecnologie innovative.Gli attuali dispositivi per la memorizzazione di dati si basano su varie tecnologie in-capaci di conciliare le caratteristiche fondamentali di elevata densità di memoria, ve-locità e longevità. I futuri dispositivi per l’archiviazione di memoria capaci di venireincontro alle suddette esigenze sono, secondo le previsioni attuali, le memorie a tran-sizione di fase (Phase-Change RAM) e le memorie magnetiche (Magnetic RAM).Una transizione di fase si esplica nel repentino cambiamento di una proprietà fisicain seguito ad uno stimolo, tipicamente la somministrazione di energia (calore, ra-diazione, ...). Una tipica transizione di fase è il passaggio di un solido da una strut-tura altamente ordinata (cristallina) ad una disordinata (amorfa). Un esempio di por-tata quotidiana è quello dei DVD riscrivibili, sulla superficie dei quali uno specialerivestimento è suscettibile di transizione di fase in seguito all’impulso di un laser:un primo impulso modifica localmente la struttura cristallina del rivestimento per-mettendo la scrittura di una sequenza di bit (archiviazione di dati); un secondo im-pulso, di intensità e durata maggiori, riporta il rivestimento alla struttura iniziale,permettendo la sovrascrittura dei dati.Questo medesimo principio troverà probabilmente applicazione nel settore dellememorie elettroniche, dove la transizione di fase avrà luogo per mezzo di un im-

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lori primari, è possibile combinarli per produrre tutti i co-lori dello spettro visibile, in modo analogo a quanto acca-de in qualunque display a colori: ogni punto di un’imma-gine (pixel) è costituito da tre microdisplay affiancati, cheproducono luce rossa, verde e blu; visto da lontano, ognielemento appare all’occhio umano come un singolo pun-to, il cui colore cambia a seconda dell’intensità della lucedi ogni singola componente. La Universal Display Cor-poration, tuttavia, ha recentemente annunciato di aver realizzato un differente tipodi display, in cui i tre elementi sono sovrapposti anziché affiancati, con un notevo-le incremento della risoluzione.Rendiamoci conto della velocità alla quale procede la ricerca: l’anno 2000 ha vistoassegnare il premio Nobel a Shirakawa, McDiarmid e Heeger per lo sviluppo di po-limeri conduttori; nel 2002 è arrivata la prima applicazione commerciale: un displayper un rasoio elettrico; nel 2003 da Kodak è stata prodotta la prima fotocamera di-gitale con schermo OLED; nel maggio del 2005 è stato presentato un prototipo dischermo OLED di 40 pollici; nell’aprile del 2006 l’Università di Braunschweig hacomunicato una nuova tecnologia che entro due anni produrrà il primo schermoOLED trasparente utilizzando TFT (Thin Film Transistor); nel settembre del 2006un gruppo di ricercatori della Cornell University ha creato un nuovo tipo di OLEDflessibile che agisce come una sorta di cella fotovoltaica e che quindi genera elettri-cità dalla luce. Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire la radiazione lumi-nosa direttamente in energia elettrica. L’università di Toronto ha inventato un mate-riale plastico che sfruttando nanotecnologie converte i raggi solari e infrarossi (quin-di funziona anche con il tempo nuvoloso) in elettricità. Si prevede che costruendo ifuturi pannelli fotovoltaici con questo materiale se ne aumenteranno le prestazionidi cinque volte. Può essere inoltre usato come generatore portatile e quindi esserespruzzato su superfici di altri materiali (ad esempio vestiti o su una batteria di autoa idrogeno). Si pensa che basterebbe ricoprire lo 0,1% del pianeta di questa nuovatipologia di pannelli per sostituire tutte le centrali elettriche.

Tra i materiali nanostrutturati, quelli ad elevata area superficiale rivestono partico-lare importanza nel settore dei trasporti.I materiali porosi che presentano un’area superficiale molto estesa si sono rivelatimolto interessanti per la loro capacità di stipare molecole gassose al loro interno equindi hanno permesso di poterli impiegare nello stoccaggio dei gas. Nel 1999Omar Yaghi (uno dei più noti studiosi di strutture metallo-organiche) e il suo grup-po di ricerca ha scoperto una classe di strutture porose chiamate strutture metallo-organiche (metal organic frameworks, MOF), che posso presentare un’area superfi-ciale superiore a 3000 m2 per grammo. La necessità di studiare queste strutture è na-ta per risolvere il problema di alimentare un’automobile per 500 chilometri senzadover fare rifornimento: una pila a combustibile è un dispositivo elettrochimico chepermette di ottenere elettricità direttamente da certe sostanze, tipicamente da idro-geno ed ossigeno, senza che avvenga alcun processo di combustione termica. Per-

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Percorso professionalizzanteCorso di Laurea in Scienza dei Materiali, Fisica, Ingegneria elettronica, con parti-colare riguardo alla fisica dei semiconduttori e dello stato solido.Dottorato di Ricerca in Nanostrutture e Nanotecnologie, Scienza dei Materiali, Fi-sica, Ingegneria elettronica.

Energia e ambiente

In Europa quasi il 10% dell’energia elettrica prodotta è utilizzata per l’illuminazio-ne; oggigiorno i diodi emettitori di luce (LED) possono emettere anche luce biancae sostituire la tecnologia tradizionale: questa sostituzione comporterebbe considere-voli risparmi, dal momento che i LED richiedono solo il 50% dell’energia elettricaconsumata da una tradizionale lampadina, a parità di illuminazione.

Per quanto riguarda i monitor, la sostituzione del tubo catodico con i display a cri-stalli liquidi è già avvenuta, e la tendenza nella ricerca è quella di spostarsi verso idiodi emettitori di luce a base organica (OLED): a differenza dei display a cristalli li-quidi, i display OLED non richiedono componenti aggiuntivi per essere illuminati (idisplay a cristalli liquidi vengono illuminati da una fonte di luce esterna), ma produ-cono luce propria; questo permette di realizzare display molto più sottili e addirittu-ra pieghevoli e arrotolabili, senza contare il risparmio energetico che ne consegue.Gli OLED sono sistemi nanostrutturati, in quanto ogni dispositivo è costituito da di-versi strati di materiali con opportune funzionalità; senza entrare nei dettagli, il di-spositivo nel suo complesso deve essere sufficientemente sottile (approssimativa-mente 300 nanometri) da garantire la massima funzionalità di ogni strato e contem-poraneamente poter funzionare con basse tensioni di alimentazione (circa 10 Volt).Normalmente, gli strati organici sono in grado di emettere solo luce bianca, ma conopportuni drogaggi (cioè, con l’aggiunta di piccole quantità di particolari sostanze)è possibile renderli in grado di emettere luce rossa, verde o blu: essendo questi i co-

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Nel corso degli ultimi 10 anni l’interesse scientifico e ingegneristico sull’applica-zione della fotocatalisi allo studio dei materiali semiconduttori risulta cresciutoesponenzialmente se si considera che più di 200 lavori sono stati pubblicati nel so-lo settore del trattamento dell’acqua ed dell’aria. Nell’ambito di una strategia mi-rante a ridurre l’inquinamento ambientale attraverso l’uso di materiali di costruzio-ne che contengano fotocatalizzatori, si è allora investigato un sistema che compren-de principalmente biossido di titanio nella forma di anatasio e cemento.I risultati delle sperimentazioni condotte ad oggi hanno permesso di concludere chemateriali cementizi contenenti biossido di titano (TiO2), allorché irradiati con lucedi opportuna energia, mostrano una maggiore efficienza nell’ossidare le sostanze or-ganiche con le quali vengono a contatto.Numerosi tipi di materiali edili “intelligenti” sono stati testati in condizioni speri-mentali di umidità, temperatura e radiazioni ultraviolette (UV) presso l’impiantoINDOORTRON del Centro comune di ricerca della Commissione Europea a Ispra,nei pressi di Varese, per simulare condizioni reali. I gas NOx e i composti organicifiltrano attraverso la superficie porosa e si legano alle nanoparticelle di biossido dititanio dei materiali edili e dei rivestimenti. L’assorbimento di luce UltraVioletta daparte del TiO2 incorporato comporta la sua fotoattivazione e la conseguente degra-dazione degli inquinanti assorbiti nelle particelle. I prodotti acidi creati da questoprocesso sono eliminati dalla pioggia e/o neutralizzati dal carbonato di calcio alca-lino contenuto nei materiali.Test preliminari condotti con materiali fotocatalitici analoghi utilizzati sul campomostrano che è possibile migliorare la qualità dell’aria in modo significativo. Nel2002, dopo che 7000 mq di superficie stradale a Milano erano stati coperti con unmateriale fotocatalitico simile al cemento, si è registrata una riduzione fino al 60%nella concentrazione di ossidi di azoto a livello della strada.

Percorso professionalizzanteCorso di Laurea in Scienza dei Materiali, Scienze Chimiche, con particolare riguar-do alla chimica supramolecolare ed elettrochimica.Dottorato di Ricerca in Nanostrutture e Nanotecnologie, Scienza dei Materiali,Scienze Chimiche.

Nanotecnologie farmaceutiche

L’invecchiamento della popolazione, le elevate aspettative per una migliore qualitàdella vita insieme ai profondi cambiamenti degli stili di vita richiedono tecnologieper il mantenimento della salute efficaci ed economicamente accessibili. La cono-scenza del funzionamento del corpo umano su scala molecolare e nanometrica co-me pure la possibilità di intervenire negli stadi acuti e cronici, se non addirittura pre-sintomatici, di una malattia sono di importanza fondamentale per soddisfare leaspettative di una qualità della vita migliore.In questa ottica, il concetto di somministrazione di farmaci (termine tecnico: drugdelivery) sta cambiando, lasciandosi alle spalle la procedura di banale introdu-zione di un principio attivo all’interno di un organismo. La formulazione, basatasull’utilizzo di sistemi nanometrici, diventa il veicolo attraverso il quale una son-da molecolare specifica e selettiva sarà capace di rilevare la specie bersaglio che

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tanto, non essendo il processo soggetto ai convenzionali limiti termodinamici, l’ef-ficienza delle pile a combustibile può essere molto alta. Il problema connesso all’u-so dell’idrogeno come combustibile è essenzialmente la sua scarsa densità energeti-ca per unità di volume, che richiede cilindri in pressione, stoccaggio criogenico a-253°C o uso di tecnologie come gli idruri metallici; nessuna di queste soluzioni èparticolarmente pratica.Mentre queste tecniche di stoccaggio dell’idrogeno sfruttano temperature moltobasse o pressioni molto elevate, Omar Yaghi è riuscito a creare un materiale porosoche assorbe l’idrogeno e consente di stipare più molecole in un volume molto pic-colo. Di questi materiali è stata anche valutata la densità, che risulta essere più bas-sa di qualunque altro materiale cristallino. Dai test condotti è emerso che a bassepressioni e temperature, un tipico MOF assorbe circa 1290 mg di azoto per grammodi materiale; questi risultati sono di buon auspicio per un possibile impiego nellostoccaggio dell’idrogeno.Ma i materiali ad elevata area superficiale siprestano, per antonomasia, anche all’utilizzo incatalisi; è infatti una qualità gradita e ricercata,per un catalizzatore, quella di massimizzare ilrapporto superficie/volume in modo da ottimiz-zarne l’efficienza catalitica. È già stata messa apunto una marmitta catalitica per una popolareautovettura costituita da un MOF e da particelle di iridio finemente disperse (altrosistema nanostrutturato).

L’acqua pura – per gli esseri umani, gli animali, l’agricoltura e l’industria – è unanecessità fondamentale. Tuttavia, milioni di persone ancora oggi non hanno acces-so all’acqua potabile; persino nei paesi industrializzati la depurazione delle acquerappresenta una problematica pressante, soprattutto dovendo rimediare ai danni pro-dotti dall’inquinamento nell’arco di decenni.Come spesso accade, la natura fornisce spunti per la risoluzione dei problemi: i si-stemi biologici, come i nostri stessi reni, sono in grado di purificare l’acqua sepa-randola da sostanze non gradite disciolte in essa. Le nanotecnologie si prestano al-la realizzazione di impianti di depurazione basati su diversi principi fisici.L’osmosi inversa è il fenomeno che permette di separare l’acqua dalle sostanze di-sciolte in essa (scarichi industriali come batteri), e richiede la presenza di opportu-ne membrane; si possono poi rimuovere degli ioni in soluzione per mezzo di scam-biatori ionici: le argille sono un altro esempio fornito dalla natura, e sistemi ispiratiad esse possono essere considerati nanostrutturati; la sintesi di componenti selettivinei confronti di determinate sostanze, ad esempio i metalli pesanti, permetterebbe larimozione di tali elementi senza far venir meno la qualità dell’acqua.La fotocatalisi gioca un ruolo primario in processi biologici e nelle attività di con-trollo ambientali.Un campo promettente in cui la fotocatalisi sta guadagnando terreno sia da un pun-to di vista tecnologico che economico è quello dell’abbattimento degli inquinantiambientali.

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Tab. 2

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indica la presenza della malattia. Siamo nel campo della medicina preventiva,della diagnostica precoce. La nanodiagnostica ha come obiettivo ideale non soloil rilevamento precoce delle malattie, ma addirittura della predisposizione allemalattie. Peraltro la formulazione di drug delivery potrà essere utilizzata comevettore di speciali molecole capaci di indurre la rigenerazione di tessuti e organidanneggiati a livello endogeno, cioè dall’interno. Si parla quindi di medicina ri-generativa. Particolarmente in quest’ultima applicazione sarà necessario trovarebiomateriali intelligenti e molecole bioattive che agiscano a livello cellulare (ri-conoscimento molecolare, bioadesione, stimolazione dei processi di crescita edifferenziazione cellulare).L’obiettivo a lungo termine è la capacità di raggiungere selettivamente le cellule o irecettori specifici del trattamento farmacologico. Il mercato richiede nuovi sistemidi drug delivery capaci di un’azione farmacologica specifica ed efficace, tale da mi-

gliorare l’accettabilità da parte del paziente, ridurre le quan-tità di farmaco e di somministrazione e quindi i costi di trat-tamento. Già ora formulazioni basate su nanoparticelle sfrut-tano il fatto che un elevato rapporto superficie/volume siaccompagna spesso ad un significativo aumento dell’attivitàfarmacologica. Nanoparticelle di varia natura possono essereusate per la veicolazione di agenti terapeutici poco solubili.La nanoparticella può veicolare il farmaco al sito specifico,rilasciarlo in modo controllato e al tempo stesso proteggerloda prematura degradazione.

L’uso congiunto delle tecnologie nanoelettroniche (microchips) e delle formulazioni didrug delivery rappresenta un’enorme potenzialità. La miniaturizzazione dei sistemidrug delivery e l’indirizzamento del rilascio controllato permetterà di ridurre gli effet-ti collaterali dei trattamenti terapeutici.

Percorso professionalizzanteCorso di Laurea in Biotecnologie farmaceutiche, Biotecnologie mediche, Chimica eTecnologia Farmaceutiche.Dottorato di Ricerca in Biotecnologie applicate alle scienze mediche, Biochimica,Scienze farmacologiche.

La tabella 2 riporta una classificazione sommaria di sistemi nanostrutturati, catalo-gati come: rivestimenti, materiali ad elevata area superficiale, materiali allo stato so-lido, dispositivi, biologici generici; è evidente, però, come questa distinzione non siarigorosa, ma solo di ausilio nel tentativo di orientarsi nel vasto mondo delle nano-tecnologie.Quella delle nanotecnologie è, come abbiamo detto, una disciplina altamente inter-disciplinare, che riunisce sotto le sue competenze diverse classi di materiali con lerispettive applicazioni. L’esempio forse più eclatante è quello dei sistemi biologici,che rientrano anche nell’ambito applicativo dei rivestimenti, dei materiali ad eleva-ta area superficiale e dei dispositivi.

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Rivestimenti e dispersioni

Materiali ad elevata area superficiale

Materiali allo stato solido

Dispositivi

Biologici

Applicazioni attuali

– Isolanti termici– Filtri ottici– Memorie a transizione

di fase– Paste abrasive

– Setacci molecolari– Catalizzatori– Somministrazione di

farmaci– Materiali porosi per lo

stoccaggio di gas

– Cementi nanocompo-siti

– Testine a magnetore-sistenza gigante

– Biocatalizzatori

Potenziali applicazioni

– Terapie farmacologi-che mirate

– Rivestimenti multifun-zionali

– Sensori ad elevata se-lettività

– Depurazione delle ac-que

– Stoccaggio di idrogenonelle celle a combusti-bile

– Celle solari

– Materiali ultraresistenti– Refrigeranti magnetici– Polimeri compositi– Cementi duttili

– Memorie ultracapienti(Terabit)

– Manipolazione di sin-gole molecole di DNA

– Sensori biomedici– Nanotubi per display

ad elevata brillanza– Laser

– Bioelettronica– Protesi biomediche– Sensori biologici ad ele-

vata selettività

Il solo corso di dottorato però non è sufficiente all’inserimento in ambito accademi-co, e difatti a questo periodo segue generalmente un’attività a tempo determinato, il“Post-Doc”. Per i successivi avanzamenti di carriera, in Italia è necessario superaredei concorsi che consentono di accedere alle posizioni di Ricercatore, ProfessoreAssociato e Professore Ordinario.

Chi non intende intraprendere la carriera accademica trova generalmente colloca-zione nel settore ricerca e sviluppo di aziende private o enti di ricerca.L’ambito occupazionale dipende naturalmente dalla specializzazione dell’impresa.Le mansioni di un impiegato nel settore Ricerca e Sviluppo non sono facili da rias-sumere, poiché strettamente connesse alle specifiche richieste dell’azienda.Tuttavia, come linee guida, si possono identificare alcuni ambienti lavorativi:

• modellistico teorico: consiste nel realizzare simulazioni al computer di sistemi di inte-resse al fine di prevederne o razionalizzarne il comportamento macroscopico; la capa-cità predittiva di una simulazione costituisce una risorsa spendibile in diversi ambiti in-dustriali, da quello farmaceutico a quello elettronico;

• sintesi chimica: consiste nel mettere a punto e portare a termine reazioni chimiche al fi-ne di ottenere molecole che soddisfino determinati requisiti, in accordo con le richiestedel mercato;

• crescita e caratterizzazione di nanostrutture: sistemi nanostrutturati possono essere otte-nuti e caratterizzati mediante l’utilizzo di strumenti preposti;

• esecuzione di test di laboratorio sul prodotto finito: determinati prodotti, ad esempio glipneumatici, devono superare diverse prove al fine di accertarne le proprietà meccani-che, termiche, ecc. prima di essere lanciati sul mercato.

A titolo esemplificativo, possiamo suggerire alcuni nominativi di aziende specializ-zate nel settore operanti in Italia:

• PIRELLI LABS (http://www.it.pirelli.com/web/group/labs/default.page)Nati nel 2001 con un investimento di 135 milioni di Euro, i Labs dispongono di uno staffdi circa 150 ricercatori e di 13mila metri quadri di laboratori nell’area Milano Bicocca. Pirelli Labs raccoglie le competenze di ricerca avanzata e di innovazione del grup-po Pirelli e partecipa a numerosi progetti di ricerca, collaborando con diverse uni-versità e centri di ricerca di livello internazionale, tra i quali il Massachusetts Insti-tute of Technology, Georgia Technical University, CNR, ENEA ed il Politecnico diMilano, oltre a centri di eccellenza come CORECOM e CORIMAV. Pirelli Labs col-labora inoltre strettamente con le unità di ricerca dell gruppo Telecom Italia. Pirelli Labs è particolarmente attiva nei seguenti campi:

• dispositivi ottici di nuova generazione basati sulle nanotecnologie;• nuovi materiali e processi per pneumatici;• sensoristica e monitoraggio remoto;• materiali per celle a combustibile.

Nei progetti di ricerca dei Pirelli Labs sono attivi più di 120 ricercatori e numerosistudenti/ricercatori, tramite accordi con le varie università.

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Profili professionali

Abbiamo appreso che le nanotecnologie non sono una nuova branca della scienza, mapiuttosto un tipo di approccio nei confronti delle discipline scientifiche già esistenti.Come naturale conseguenza di questa osservazione, precisiamo quindi che la figu-ra professionale del nanotecnologo non esiste, come invece accade per i biologi ogli ingegneri.Per questo motivo, l’ambito occupazionale dipende strettamente dal contesto lavo-rativo in cui un professionista va ad inserirsi.Tendenzialmente, la scelta della carriera accademica consente di approfondire le cono-scenze in cui l’individuo si è specializzato, mentre l’entrata nel mondo del lavoro ri-chiede una certa flessibilità e spirito di adattamento alle necessità del datore di lavoro.Quello che è assodato è che le conoscenze interdisciplinari di un professionista del-le nanotecnologie gli permetteranno di interfacciarsi con realtà anche molto diversetra loro, dandogli la possibilità di mettere in pratica l’elasticità mentale che natural-mente gli compete.

In ambito accademico, la figura del ricercatore riveste un ruolo ambivalente, facen-do fronte all’attività di ricerca e a quella didattica in accordo con il principio ispira-tore della ricerca pubblica che si basa sulla generazione di conoscenza e sulla suadivulgazione.La principale attività di un ricercatore è la conduzione di un progetto di ricerca; nel-l’ambito delle nanotecnologie i progetti di ricerca vengono distinti sia in base agli sboc-chi applicativi sia in base all’approccio scientifico: si può distinguere tra l’approcciomodellistico, che si occupa di simulazioni al calcolatore al fine di prevedere e/o razio-nalizzare determinati fenomeni, l’approccio chimico-sintetico svolto in un laboratoriodi sintesi chimica e l’approccio fisico di crescita e caratterizzazione di nanostrutture.L’attività di ricerca è naturalmente integrata dalla pubblicazione di articoli scientifi-ci e dalla presentazione dei propri lavori alla comunità scientifica in Italia e all’e-stero; generalmente il volume di pubblicazioni e il prestigio delle riviste sulle qualisi pubblica è un indice dell’operatività del ricercatore. La conoscenza della linguainglese è fondamentale, in quanto rappresenta il linguaggio universale nell’ambitodella comunità scientifica.Come attività parallela un ricercatore si dedica anche all’insegnamento e il tempodedicato a questa attività è destinato ad aumentare con l’avanzamento nella scala ge-rarchica accademica.La carriera accademica inizia naturalmente con un lavoro di tesi, che vede lo stu-dente impegnato in un progetto di ricerca. Dopo la laurea la scelta più naturale perun aspirante ricercatore è il corso di Dottorato di Ricerca, al quale si accede me-diante un concorso pubblico. Il percorso è di durata triennale (in Italia), durante ilquale lo studente si interfaccia con la gestione di un progetto di ricerca e simulta-neamente acquisisce ulteriori competenze grazie a corsi didattici e seminari.

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Carriera accademica

R&S nelle Aziende

La figura del consulente si inserisce come mediatore nel processo denominato tech-nology transfer, ovvero il trasferimento di tecnologia, competenze e conoscenze dal-l’università alle imprese e viceversa. Negli ultimi anni si è assistito ad un aumentodegli interventi volti ad incentivare la collaborazione tra le imprese e le università ogli enti di ricerca, al fine di realizzare progetti innovativi e prodotti ad elevato conte-nuto tecnologico competitivi sul mercato globale. Il dialogo tra imprenditori e ricer-catori è spesso difficoltoso, soprattutto a causa della loro diversa impostazione lavo-rativa: la figura del consulente nel technology transfer è nata proprio per conciliarela collaborazione tra questi due colossi apparentemente inconciliabili.La casistica di situazioni da mediare è varia. Tipicamente, un’impresa richiede la colla-borazione con università o centri di ricerca al fine di risolvere un problema tecnico o pro-muovere l’innovazione tecnologica di un prodotto: in questo caso il consulente si assu-me la responsabilità di individuare le strutture idonee a fornire le competenze richieste.Una preparazione adeguata si ottiene con un percorso di studi scientifico, un co-stante aggiornamento sul mondo della ricerca e una conoscenza approfondita dellenorme che tutelano la proprietà intellettuale.Il settore della proprietà intellettuale si occupa del diritto riguardante i beni immate-riali che appartengono ad un privato, ed è parte integrante di tutti i processi innova-tivi: lo sfruttamento economico in esclusiva, consentito dal brevetto, è uno strumen-to indispensabile per garantire un ritorno economico dagli investimenti affrontati persviluppare il prodotto. Il consulente brevettuale è chiamato a redigere domande dibrevetto e seguirne l’iter burocratico.

Il giornalista scientifico ricopre il delicato ruolo di anello mancante tra il ricercato-re, ovvero l’“addetto ai lavori”, e l’utente finale, cioè chi usufruirà del progresso tec-nologico. Tipicamente questa figura si identifica con il cittadino medio che viene abeneficiare delle innovazioni tecnologiche di pubblico dominio.La comunicazione scientifica è un punto chiave per l’accettazione del progressoscientifico da parte della comunità: essa infatti deve assolvere non solo il compitodi divulgare notizie a titolo informativo, ma anche di suscitare curiosità ed interes-se per le discipline scientifiche, che rispetto a quelle umanistiche tendono spesso adessere percepite in modo ostico.Una buona formazione scientifica è indispensabile al fine di intraprendere la carrie-ra giornalistica, ma è anche necessario avere delle notevoli capacità comunicative,al fine di rendere di accessibili al pubblico le informazioni che si intende divulgare;a questo scopo esistono diversi corsi di specializzazione universitari e master ingiornalismo e comunicazione scientifica.Acquisite le necessarie competenze, l’aspirante giornalista può dedicarsi alla divul-gazione scientifica attraverso i media (giornali, radio, televisione, internet) sia comelibero professionista sia come curatore stabile, ma può anche svolgere compiti co-me addetto all’ufficio stampa per centri di ricerca o musei a carattere scientifico, or-ganizzando anche incontri divulgativi con il pubblico.

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• IBM ITALIA (http://www.ibm.com/it)IBM è uno dei veri pionieri nel settore delle nanotecnologie. Le scoperte innovati-ve dell’IBM si collocano da sempre in diversi ambiti, da quello sanitario a quellodella microelettronica.Le principali sedi di IBM Italia sono a Segrate (MI), Vimercate (MI) e Roma.

• ITALCEMENTI (http://www.italcementi.it/)Il Gruppo Italcementi, con il Centro Tecnico di Gruppo (CTG), ha creato uno deicentri di ricerca sui materiali cementizi più importanti d’Europa. I Laboratori delCTG sono situati a Bergamo (Italia) e a Guerville (Francia) dove lavorano in totalepiù di 130 tra ingegneri e tecnici.

• STMICROELECTRONICS (http://www.st.com)ST è uno dei dieci maggiori fornitori mondiali di semiconduttori dal 1999.Oggi una combinazione vincente di esperienza nel settore, collaborazioni industrialied accademiche e una delle più vaste gamme di prodotti fanno di ST un leader mon-diale nello sviluppo di tecnologie basate sul silicio per l’impiego in microelettronica,con sedi ad Agrate Brianza (MI), Catania, Crolles (Francia), Phoenix (USA), Rous-set (Francia), e Singapore.

• CENTRO RICERCHE FIAT (http://www.crf.it)Il Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. nasce nel 1976 come polo di riferimento per l’in-novazione e la ricerca e sviluppo del Gruppo Fiat. Diventa poi una Società Consor-tile per Azioni con la partecipazione delle Società del Gruppo.Accanto alla sede principale di Orbassano (Torino), vengono costituite quattro sedidecentrate (Bari, Catania, Trento e Foggia) e una società controllata a Udine.All’interno della ricerca italiana, il Centro Ricerche Fiat si distingue in quanto società acapitale completamente privato e totalmente dedicata al trasferimento dei suoi risultati inottica industriale. Tutta l’attività viene svolta sulla base di specifici contratti di ricerca.

• SAES GETTERS (http://www.saesgetters.com)Il gruppo SAES Getters è il leader mondiale nell’ambito delle applicazioni scienti-fiche che richiedono la presenza di vuoto spinto e gas ultra puri, ovvero la tecnolo-gia dei semiconduttori, delle fibre ottiche e altre applicazioni hi-tech.Con l’inizio del ventunesimo secolo, il gruppo SAES Getters amplia il suo raggiod’azione alla metallurgia e alla scienza dei materiali, includendo materiali avanzatiper l’optoelettronica e i laser e leghe a memoria di forma per l’impiego nel settoredei trasporti e dell’elettronica.Un eccellente settore di Ricerca e Sviluppo situato nella sede del gruppo, a Milano,fa fronte alle continue richieste di innovazione tecnologica.

• SIAE MICROELETTRONICA (http://www.siaemic.it) SIAE Microelettronica S.p.A. è una compagnia italiana che si occupa della proget-tazione, produzione e vendita di materiali per le telecomunicazioni.

• MBN NANOMATERIALIA (http://www.mbn.it) MBN è stata fondata nel 1994 e ha ora una capacità produttiva di nanomateriali di200 tonnellate/anno. Con un processo di macinatura meccanica ad alta energia èpossibile realizzare una vasta gamma di prodotti, dalle leghe ultra leggere ai mate-riali cementizi, ai ceramici, ai nanocompositi in matrice metallica e polimerica, al-le membrane polimeriche per uso tessile.

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Consulente

Giornalista scientifico

Indice

IntroduzioneUn po’ di storia 3Top-down e bottom-up 4

Il percorso professionalizzante 6

Il percorso formativo idealeLauree di I livello 8Lauree specialistiche 9Corsi post-laurea 9Dottorato di ricerca 9

OFFERTA FORMATIVA A MILANO E LOMBARDIACorsi universitari 10Dottorati di Ricerca 12Master, corsi di specializzazione e perfezionamento 13

Ricerca e SviluppoIn Italia 14In Europa e nel Mondo 15

ApplicazioniNanoelettronica 18Energia e ambiente 20Nanotecnologie farmaceutiche 23

Profili professionali Carriera accademica 26R&S nelle Aziende 27Consulente 29Giornalista scientifico 29

Alcuni Link utili 30

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Alcuni Link Utili

http://www.nano.gov - National Nanotechnology Initiative

http://foresight.org - Foresight Nanotech Institute

http://zyvex.com/nano - Zyvex Instruments

http://www.e-drexler.com - Nanotechnology, Molecular Manufacturing, and Productive Nanosystems

http://www.nanoforum.it

http://www.nanotec.it/

http://www.nanoindustries.com/

http://www.civen.org/ - Coordinamento Interuniversitario Veneto per le Nanotecnologie

http://www.tasc.infm.it/ - Tecnologie Avanzate e Nanoscienza

http://ricercaitaliana.it

PubblicazioniDario Narducci, Le nanotecnologie - Cosa sono, perché cambieranno la nostra vita, come la

stanno già cambiando, Alpha Test.

Le Scienze dossier, Nanotecnologie - dall’atomo alle macchine molecolari, Numero 11 - Pri-mavera 2002 (http://www.lescienze.it).

Nanotoday (http://www.nanotoday.com)

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Prima edizione: giugno 2007© 2007 - Città dei Mestieri di Milano e della LombardiaTutti i diritti riservati

Finito di stampare nel maggio 2007 dal Consorzio Artigiano «L.V.G.» - Azzate (Varese)