Nanotecnologie: innovazioni nel settore...

ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 1/200760

Le potenzialità offerte dalle nanotecnologie

nei vari settori applicativi appaiono davvero notevoli.

Le innovazioni allo studio o già sviluppate per il settore

agroalimentare includono in pratica tutti gli aspetti produttivi:dalla coltivazione al processamentodei prodotti alimentari, al controllodi qualità, al “packaging intelligente”.

Lo sviluppo di queste tecnologie va accompagnato da un’attenta

analisi degli eventuali rischi e delle implicazioni sociali

Esistono varie definizioni delle nanotec-nologie, che vengono talvolta usatemagnificando oltremodo potenzialità etimori per i rischi collegati, trascurandociò che la ricerca sta effettivamente svi-luppando o ciò che si propone di otte-nere: le nanotecnologie per alcuniaspetti sono ancora alla frontiera trarealtà scientifica e visioni futuristiche. Iltermine “nanotecnologie” fu coniatoda un ricercatore dell’Università di Tokionel 1974 e in pratica viene oggi usatoper indicare sia ricerca e acquisizione diconoscenza che tecnologia per crearenuove strutture, materiali, sistemi allascala nanometrica, ossia del miliardesi-mo di metro (nm). Per dare un terminedi paragone, ricordiamo che nell’univer-so nano sono compresi ovviamente ato-mi e molecole, incluse quelle organichee biologiche, i virus, mentre le cellulearrivano già a misurare migliaia di nme un capello umano ha il diametro didecine di migliaia di nm. Le nanotecno-logie sono un insieme di differenti tec-nologie e approcci, tutte legate alladimensione nano, tra uno e 100 nm; si

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innovazioni nel settore

agroalimentareVincenzo Capuano

Nanotechnology-basedinnovations

in the agri-food sectorNanotechnologies have high potential for useful applications in many sectors. Innovations nowunder development or already on the market address practically all aspectsof the food-products industry, from farming toprocessing, quality control and smart packaging. The development of these technologies should beaccompanied by a careful assessment of their risks andsocial implications

Nanotecnologie: innovazioni nel settore agroalimentare

energia, ambiente e innovazione

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parla pertanto di nanomateriali, nanoe-lettronica, nanobiotecnologie, nanome-dicina, nanomacchine. La dimensionenano, a causa dell’aumentata influenzadegli effetti superficiali, comporta l’esi-stenza di proprietà fisiche molto diver-se rispetto alla materia considerata nel-le normali dimensioni micro o macro.Infatti, ad esempio, l’oro a scala macroè giallo, ma nel nanomondo ha colorerosso; il carbonio a livello nanometricoconduce molto bene la corrente elettri-ca ecc. Gli strumenti per l’osservazionedel nanomondo: il microscopio a scan-sione e quello a forza atomica, realizza-ti sul finire degli anni 80, hanno consen-tito anche le prime manipolazioni dellamateria a livello atomico e molecolare.Negli stessi anni venivano scoperte lenanoparticelle di carbonio: nanotubi efullereni, che ricevono molta attenzio-ne oggi per varie applicazioni.Attraverso l’uso delle nanotecnologie èpossibile creare nuovi materiali funzio-nali, strumenti e sistemi con straordina-rie proprietà derivanti dalla loro strut-tura e implementare qualità ecaratteristiche di processi e prodotti esi-stenti. I sistemi di nanofabbricazioneseguono due tipi di approccio: quellotop-down, col quale si realizzano nano-strutture partendo da dimensionimacro/micro per asportazione e prelie-vo di materiale con tecniche di tipo lito-grafico, già sperimentate nella elettro-nica avanzata, oppure partendo dalbasso (bottom-up), realizzando struttu-re a partire da nanoparticelle (nanotu-bi, fullereni, dendrimeri, quantum dot).In quest’ultimo caso assume un ruolosempre più importante l’impiego di mec-canismi e strutture biologiche, il cui fun-zionamento avviene normalmente a sca-la nano negli esseri viventi. Questaevidente intersezione tra materia viven-te e non vivente porta a vedere le nano-tecnologie in un’ottica ancora più ampia:

quella della convergenza a scala nanotra varie scienze e tecnologie, con infor-matica e tecnologie della comunicazio-ne, scienze cognitive, biotecnologie. Leconvergenze tecnologiche, su cui già siinveste negli Usa e in Europa, potrebbe-ro aprire nuovi scenari nell’evoluzionedel progresso umano.L’ottenimento di nuovi materiali nano-strutturati, i progressi nella nanoelettro-nica e nelle nanobiotecnologie lascianointravedere i settori in cui sono previstele maggiori applicazioni delle nanotec-nologie: immagazzinamento, produzio-ne e conversione di energia; tecnologiedell’informazione e comunicazione; dia-gnostica e terapia umana e veterinaria;agricoltura e agroalimentare; inquina-mento ambientale e trattamento delleacque; materiali e costruzioni.

Nuove frontiere nelle nanoscienze e nanotecnologie

La capacità di manipolazione della mate-ria alla scala di un miliardesimo di metro,la possibilità quindi di creare strumenti,materiali e strutture con caratteristiche deltutto nuove consentono di immaginare eprogettare innovazioni di notevole impat-to nei vari settori produttivi, non esclusiquelli dell’agricoltura e della produzionealimentare. In pratica molteplici aspettilegati alla coltivazione, processamentodegli alimenti, impatto ambientale dellaproduzione agricola possono essere ogget-to delle applicazioni delle nanotecnolo-gie. Nanosensori possono dare informa-zioni su contaminazioni chimico-biologichenelle varie fasi di produzione, sistemi“intelligenti” possono consentire il con-trollo a distanza delle colture, con bene-fici in termini di efficienza e sicurezza,innovativi materiali possono contribuiread un migliore packaging ecc. Osservando quanto sinora realizzato etenuto conto delle prospettive che si apro-

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no per il futuro, si può dire che per glianni tra il 2000 e il 2040 si possono consi-derare quattro generazioni possibili diprodotti e processi delle nanotecnologie.Tra i primi vanno ricordate le nanostrut-ture passive, sotto forma di dispersioniaerosol o colloidali, oppure di nanostrut-ture incorporate in prodotti, come rive-stimenti, materiali nanocompositi enanostrutturati, polimeri, ceramici.Si sono poi più recentemente studiatenanostrutture attive, sia dal punto divista biologico (es. nanocarrier per far-maci), che chimico-fisico (amplificatori,transistor 3-D, attuatori). Tra gli esempidi questi nanoprodotti di seconda gene-razione si può ricordare il nanomotorevirale guidato da RNA sintetico e svilup-pato da P. Guo dell’Università Purdue,Usa, nel 2004, le piattaforme multifun-zionali sviluppate da Kulovska-Latallo,Baker et al. [1] (figura 2) e quelle elabo-rate da Y. Benenson, predisposte per tro-vare, misurare e trattare un analista diinteresse.La terza generazione di prodotti allo stu-dio è rappresentata dai sistemi di nanosi-stemi (assemblatori, architetture e net-work, nanorobotica, strutture adattative).Tra questi vanno annoverati ad esempio ipolimeri (essenzialmente polipirrolo) nano-

strutturati biocompatibili, biodegradabi-li, studiati per l’impiego come sonde neu-rovascolari presso il MIT di Boston, Usa [2].Anche i micro-nanorobot di S. Goldstein(Carnegie Mellon University, Usa) appar-tengono a questa classe di prodotti allostudio. Essi rappresentano una forma dimateria programmabile, in grado di svi-luppare il concetto di robot modulari(claytronics). Una materia programma-bile deve contenere capacità di calcolo,attuatori, energia, sensori, comunicazio-ne, per costituire forme e configurazio-ni di interesse [3]. Tra una quindicina dianni si prevede di poter sviluppare laquarta generazione dei prodotti dellenanotecnologie, secondo il parere espres-

Figura 1Quattro generazio-ni di prodotti e pro-cessi delle nanotec-nologieFonte: M. C. Roco [4]

Figura 2Piattaforma polifun-zionale (nanopro-dotto di seconda ge-nerazione)Fonte: Kulovska-La-tallo, Baker et al.[1]




so da M. Roco, responsabile del Program-ma Nanotecnologie Usa: nanosistemimolecolari, ossia strutture molecolariappositamente progettate, struttureautoassemblanti ecc.[4]. Una interessan-te iniziativa, per restare all’oggi, è quel-la relativa all’inventario dei prodotti giàesistenti sul mercato, intrapresa dal Pro-ject on Emerging Nanotechnologies1 diWashington, Usa. Si può notare come esi-stano oltre 200 prodotti da 15 paesi, chepossono essere acquistati in supermerca-ti, farmacie, negozi di articoli sportivi ein internet e che variano da cosmetici, aindumenti, articoli sportivi o elettronici,integratori alimentari.

Applicazioni delle nanotecnologienell’agroindustria e nell’agroalimentare

Le nanoscienze e le nanotecnologie stan-no ricevendo una sempre maggioreattenzione sia nei paesi più sviluppatiche in quelli in crescita rapida come laCina e negli altri in via di sviluppo. Anchese in generale i maggiori finanziamentisono rivolti verso la biomedicina, l’ener-gia, l’ICT, le potenziali applicazioni del-le nanotecnologie nel settore agroindu-striale e agroalimentare non appaionoda meno, per quanto riguarda le pro-spettive di innovazione e di impatto eco-nomico, rispetto a quelle degli altri set-tori applicativi. Si delineano soluzioniche vanno nella direzione di maggioreconoscenza e trasformazione dei biosi-stemi, diagnosi e trattamento in agricol-tura, preparazione e conservazione ali-mentare, bioprocessi ecc. In questoquadro anche l’agricoltura in ambientecontrollato, derivata dalle tecniche dicoltura idroponica, potrà avvantaggiar-si dall’introduzione delle nanotecnolo-gie. Alcuni analisti si spingono a preve-dere addirittura un intervento direttodelle nanotecnologie sulla progettazio-

ne di alimenti, manipolandone moleco-le e atomi costituenti, mentre la conver-genza di nano, bio, info tecnologie lasciaprevedere un impatto davvero impor-tante sul settore agroindustriale. Le principali applicazioni di interesse neivari settori dell’agroindustria e del-l’agroalimentare sono rivolte, schemati-camente, a:

• somministrazione con sistemi innova-tivi di pesticidi, farmaci, fertilizzantialle varie colture;

• controllo e localizzazione a distanzadelle colture;

• monitoraggio precoce di agenti pato-geni o di sostanze chimiche contami-nanti;

• rilevamento, con alto grado di sensibi-lità, del grado di purezza dei prodotti;

• innovazioni di prodotto e di processonell’industria alimentare;

• metodi innovativi per diagnosi e tera-pia in zootecnia;

• “packaging intelligente”;• sistemi innovativi di processo/prodot-

to in combinazione con la tecnologiadei fluidi supercritici.

Un database on line che elenca circa 160applicazioni delle nanotecnologie nel-l’agroalimentare, evidenzia un ampiospettro di progetti che vanno dai bio-processi al monitoraggio dei patogeni econtaminazioni a sistemi intelligenti ditrattamento dei prodotti e può essereconsultato sul sito http://www.nanotechnology.org/inven-tories .

Sistemi innovativi di somministrazionedi fertilizzanti, pesticidi o farmaci

Lo sviluppo di nuove tecnologie, basatesu applicazioni in scala nano e rivolte aivari settori dell’agroindustria risulta dadiversi progetti in atto. Si va dalla propo-sta di ricercatori dell’Università di Kyoto

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che stanno sperimentando l’uso di C60(nanoparticelle di carbonio formate dasessanta atomi: fullereni) per la produ-zione di ammoniaca, a quella dell’Acca-demia delle Scienze russa che prevede ladispersione sui campi di nanoparticelle diFe che si sarebbero dimostrate in gradodi stimolare la germinazione dei semi dipomodoro, a quella di ricercatori corea-ni che impiegano nanoparticelle di ossi-do di titanio per aumentare la fotosinte-si e stimolare la crescita del riso2. Ancheil settore della purificazione delle acquedi superficie, da impiegare per scopi pro-duttivi (agricoltura, acquacoltura), riceveattenzione in diverse iniziative. L’impie-go di nanofibre di ossido di Al del diame-tro di 2 nm si è rivelato utile nella ultra-filtrazione di batteri e virus, secondoquanto offerto dalla Argonide, un’azien-da Usa. Un forte impegno nella purifica-zione delle acque si registra anche da par-te di Basf, Dow e varie aziende in Francia,India e Sud Africa. In parallelo si studia-no inoltre sistemi in cui nanoparticellecatalizzano l’ossidazione e la degradazio-ne di inquinanti recalcitranti, facilitando-ne la rimozione da siti contaminati e daacque di superficie3. Iniziative per la rimo-zione di fosfati e per contrastare la cre-scita di alghe da bacini acquiferi conimpiego di nanoparticelle di ossido di tita-nio, che sono state sviluppate da alcuneaziende, potrebbero risultare utili anchein impianti di acquacoltura4.Pesticidi in formulazione nano (particel-le di dimensioni tra 10 e qualche centi-naio di nm) sono già sul mercato e pre-sentano vantaggi sul versante di unamigliore capacità di dissoluzione inacqua, maggiore stabilità nel tempo,prevenzione dell’intasamento filtri del-le macchine di somministrazione (Basf,Bayer, Syngenta, Monsanto). Le nano-capsule contenenti i pesticidi presenta-no la possibilità di rilasciare il compo-nente attivo mediante varie modalità,

dipendenti dalle caratteristiche costrut-tive: per reazione chimica, variazioneumidità, temperatura, pH, azione diultrasuoni, di campo magnetico ecc. Adesempio un insetticida nanoincapsulatodi Syngenta diventa attivo all’internodell’apparato digerente degli insetti ber-saglio, a causa del pH alcalino ivi presen-te. Queste tecniche di rilascio controlla-to sono peraltro impiegate anche innanocapsule progettate per impieghi inanimali per scopi diagnostici e/o tera-peutici. A questo riguardo va detto chesono numerose le ricerche rivolte all’im-piego nell’uomo, per cui si otterrà unaestesa possibilità di applicazione anchenel settore veterinario di nanocapsule enanosistemi in grado di recare in modomirato e selettivo farmaci nei tessuti ocellule malate.

Sistemi di localizzazione e controllo adistanza di parametri di interesse nellecolture e negli allevamenti

L’impiego delle più recenti acquisizioni nel-le ICT, l’uso del sistema GPS e delle nano-biotecnologie, con lo sviluppo di specialisensori wireless ad altissima sensibilità, col-legati tra loro in una o più reti, lascia intra-vedere una agricoltura sempre più legataalla tecnologia (“precision farming”). Poi-ché molte caratteristiche chimico-fisiche ebiologiche delle colture da monitoraresono legate alla dimensione nano, senso-ri ad azione multipla e capaci di monito-rare piccolissime quantità (livello moleco-lare) degli agenti biochimici, collegati inrete, possono consentire l’elaborazionedei dati e l’effettuazione dell’azione piùappropriata. In questi sistemi intelligentisi ottiene un automatico monitoraggio divari parametri nelle piante, la localizzazio-ne precisa nella coltivazione e l’interven-to necessario in irrigazione, somministra-zione pesticidi, fertilizzante. Va aggiuntoche nell’estate 2006 si è tenuto in Califor-




nia il primo workshop internazionale sul-le reti di sensori, mentre alcune applica-zioni sono già attive in vigne della Califor-nia e Australia; le aziende interessate alloro sviluppo sono diverse: CrossbowTechnologies, Dust, Motorola, Intel ecc. Ildipartimento di agricoltura Usa (USDA)lavora allo sviluppo di un “Smart FieldSystem”, un sistema che misuri i vari para-metri per le migliori condizioni di crescitadelle colture, localizzi in campo le aree diintervento (anche sulla singola pianta) eintervenga automaticamente per ottene-re o ripristinare le condizioni desideratedi umidità, quantità di fertilizzante o dipesticida. Il governo Usa ha inoltre lancia-to un progetto (SensorNet) che intendeintegrare nanosensori, microsensori e sen-sori convenzionali in una rete nazionaleper obiettivi non più solo di sorveglianzaagroambientale ma di sicurezza5. Nello svi-luppo di reti di sensori avanzati è coinvol-ta anche l’UE con progetti di ricerca spe-cifici, tra cui il progetto Eyes, coordinatodal prof. Havinga dell’Università di Twen-te in Olanda che, oltre al monitoraggioambientale, ha proposto l’impiego di unnetwork di sensori multifunzionali (“intel-ligenti”) per il monitoraggio del latte, del-la sua quantità e qualità, delle eventualimalattie presenti negli allevamenti6.

Monitoraggio patogeni e contaminan-ti, sicurezza e qualità alimentare

La precoce identificazione di malattie oalterazioni nella normale fisiologia di cre-scita di piante in coltura o animali in alle-vamento può consentire interventi decisi-vi per il contrasto di questi fenomeni, conevidenti ripercussioni positive sugli aspet-ti produttivi ed economici, oltre cheambientali, ove si consideri la possibile ridu-zione in quantità di pesticidi o farmaci. Lapossibilità di combinare biotecnologie enanotecnologie può consentire la predi-sposizione di nanobiosensori in grado di

rilevare patogeni, contaminanti, aspettifisico-chimici come temperatura, umiditàecc. metalli pesanti, contaminanti chimici,a livelli di sensibilità molto spinti.Ad esempio il progetto Goodfood, finan-ziato dall’UE nell’ambito del 6PQ, prevedevarie applicazioni nella catena alimentare(in particolare nei settori lattiero-caseario,frutta, pesce e vino), sia per il monitoraggiodi sostanze chimico-biologiche che per il con-trollo della sicurezza e della qualità di pro-duzione. Il progetto, coordinato dal prof. C.Canè (CSIC, Spagna) registra la partecipa-zione di un consorzio di imprese tra cui laNestlè e di vari centri di ricerca europei edovrebbe completare le proprie attività nelcorso del 2007. Tra gli obiettivi si evidenzia-no iniziative per la rapida analisi di residuidi pesticidi, antibiotici, micotossine, patoge-ni, per lo sviluppo di microsistemi multisen-sing di controllo logistica e qualità. Attra-verso l’integrazione multidisciplinare delleconoscenze sensoristiche e di miniaturizza-zione e delle tecnologie di computazione etrasmissione, ci si prefigge il miglioramen-to della sicurezza e della qualità del cibo. Losviluppo di sistemi di rilevazione caratteriz-zati da piccole dimensioni, basso costo, bas-so consumo energetico, semplicità d’uso,tempi di risposta rapidi e con connessionediretta a nodi di decisione autonoma, ren-derà possibile utilizzare sistemi di controllonei punti critici del ciclo alimentare, dallamateria prima fino al prodotto finale. Cen-trale appare la interconnessione e comuni-cazione di sistemi sensoriali eterogenei inpiattaforme integrate per la fornitura di ser-vizi, basate sul paradigma dell’”AmbientIntelligence”7. Tra le varie iniziative tendenti al rilevamen-to rapido di contaminanti biologici, rima-nendo in tema di sicurezza alimentare, puòessere utile ricordare il “NanoBiolumine-scence Detection Spray”, uno spray conte-nente una proteina che in caso di presen-ze indesiderate nei cibi (salmonella, coli)produce luminescenza visibile. Ciò è quan-

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to promette uno dei prodotti che unaazienda, la Agromicron, intende portaresul mercato. La molecola proteica si legain modo specifico sulla superficie del bat-terio dando luogo ad una luminescenzaproporzionale al grado di contaminazio-ne8. La stessa azienda è impegnata anchenello sviluppo di un test rapido per la rile-vazione del virus dell’influenza aviaria.L’identificazione e la caratterizzazionedi popolazioni batteriche di interesseagricolo e ambientale, nonché la possi-bilità di monitorare in modo rapido esicuro l’eventuale presenza di patogeni,può essere perseguita anche attraversol’impiego di un interessante sistemabasato su nanostrutture di DNA a formadi dendrimero, ossia molecole ramifica-te di DNA. Le strutture ottenute vengo-no marcate con coloranti fluorescentirosso e verde, in proporzioni controlla-te in modo da costituire una sorta dicodice a barre, inoltre le strutture sonoanche legate a sonde specifiche per i variDNA da ricercare nei campioni (figura3). Ne risulta un sistema - DNA nanobar-code - che mediante citometria a flussoo elettroforesi su gel di agarosio, puòconsentire analisi molto sensibili (a livel-lo di attomole) e rapide (pochi secondiin citometria a flusso) [5].La sempre maggiore miniaturizzazione

dei sistemi di analisi a piastra multipla(anche 105 “pozzetti di reazione” percm2), ove in ciascun pozzetto si esegueuno specifico test, ha consentito di stu-diare simultaneamente numerosi para-metri. Questi microsistemi di analisi mul-tipla o chip vengono in generefunzionalizzati con DNA o proteine.Aziende come Affimetrix hanno postosul mercato dei chip a DNA per la rile-vazione simultanea nel campione in esa-me di diversi genomi, basandosi su unareazione di ibridazione che viene evi-denziata per fluorescenza. La sua loca-lizzazione e intensità sul chip dà infor-mazioni su quali geni sono espressi e inche misura. Infatti, ad esempio il FoodExpert ID, sviluppato da Affymetrix, con-sente di rilevare la presenza o l’assenzadi ben 33 differenti specie di DNA e ciòpuò risultare utile in controlli su alimen-ti o altri prodotti, salvaguardandone lapurezza e l’autenticità. Sul mercato sonopresenti anche altri biosensori con bio-chip per monitoraggio di patogeni,come quello prodotto dalla Zyomyx(www.zyomyx.com).I vari metodi (ottici, elettrici, elettrochi-mici e gravimetrici) impiegati per la rile-vazione dei dati ottenuti con gene-chipevidenziano la vasta scelta della piatta-forma potenzialmente utile per l’anali-

Figura 3DNA nanobarcode:un sistema per mo-nitoraggio rapido dicontaminanti biolo-giciFonte: M. N. Da-dlani, Cornell Uni-versity, USA. 2005.http://hdl.handle.net/1813/2148

Partendo da DNA Y si ottengono strutture dendrimeriche che vengono funzionalizzate con varie sonde molecolari (acidi nuclei-ci, anticorpi) a cui vengono legati i coloranti fluorescenti in vari rapporti, ma in modo controllato. La presenza nel campione delDNA cercato darà luogo ad una specifica fluorescenza rilevata con la flow cytometry.




si del DNA, in funzione della selettività,sensibilità, velocità di ottenimento deidati, portabilità e costi. I microchip aDNA vengono prodotti sia sintetizzan-do in loco l’oligonucleotide che deposi-tandolo e immobilizzandolo sul chip.I chip a proteine, invece, rappresentanouna sfida impegnativa, considerato ilgran numero di proteine presenti, men-tre la loro funzionalità legata alla strut-tura tridimensionale ne rende difficilela sintesi e l’amplificazione, cosa invecepossibile con la PCR per il DNA. La pro-duzione di chip proteici è alla fase ini-ziale, a causa di queste caratteristicheproprie delle proteine, e un approccioche viene seguito è quello di farle rea-gire con anticorpi fissati sui chip, con rile-vazione fluorescente della reazioneintervenuta. Quantità di pochi nanolitridi campione contenente le proteine instudio consentono la predisposizione dichip con circa 1600 punti di reazione(spot) per cm2 , tuttavia il processamen-to di volumi dell’ordine dei femtolitri(10-15 litri) risulta al momento ancoracomplesso. Va aggiunto che l’impiegodelle tecniche di nanolitografia con dip-pen, che sfrutta la estremità di scansio-ne di un microscopio a forza atomica perdepositare nano quantità di molecole diinteresse, potrebbe condurre alla pro-duzione di spot di circa 100 nm. L’evoluzione dei chip porta a intravederela creazione di dispositivi che andranno asostituire interi laboratori di analisi. Si par-la infatti di lab-on-a-chip (LOC), laborato-rio su chip, in cui la miniaturizzazione,spinta oltre il livello micro, consentiràl’analisi multipla di numerosi parametrisu quantità davvero minime di campione(tra 10-12 e 10-18 litri). Piattaforme LOCsono già state sviluppate da alcune azien-de (www.agilent.com). Un particolare chipè invece quello costituito dalla immobi-lizzazione di cellule su di esso, cosa checonsente di evitare i problemi posti, ad

esempio dalla denaturazione delle pro-teine, nel caso di chip destinati allo stu-dio delle interazioni tra proteine. La manipolazione biologica a livellimicro/nano derivante dalle nuove acqui-sizioni tecnologiche consente anche losviluppo di strumenti per la selezione del-le cellule riproduttive nel settore dell’al-levamento. Sistemi microfluidici sono sta-ti impiegati per segregare gli spermimaschili e femminili in cavalli, pecore,maiali sulla base del loro diverso peso: lastart-up company Arryx può selezionareoltre 3000 spermi al secondo e si prepa-ra a commercializzare lo strumento perimpieghi anche nel settore bovino, men-tre sono in corso studi per automatizza-re anche la fecondazione selezionata conproduzione di embrioni9.Gli impieghi di sensori evoluti sonoandati sempre più affermandosi e diffe-renziandosi e alcuni di essi impieganopolimeri conduttivi che sono interessan-ti poichè mostrano variazioni di proprie-tà ottiche ed elettriche per effetto di rea-zioni di ossidoriduzione. I polimeri piùusati sono la polianilina, il polipirrolo eil politiofene. Questi polimeri sono pro-dotti sottoforma di nanostrutture (nano-fibre, nanofilm) e sono adatti alla rile-vazione di gas e anche di particolaricomposti come le diamine. Notevoli sonoanche le altre possibilità di impiego deipolimeri conduttivi, che vanno da inno-vazioni nel campo di elettrodi, batterie,a sensori e attuatori. Lo sviluppo di sensori avanzati viene per-seguito anche mediante l’impiego di can-tilever multipli (array) di microscopi a for-za atomica (MFA), per il monitoraggiodelle biomolecole. Sono stati sviluppatiinfatti cantilever di varie dimensioni ofunzionalizzati diversamente, presenti inun unico array, allo scopo di monitoraredifferenti concentrazioni delle molecoledi interesse, sfruttando la deflessione dicantilever multipli a seguito di reazione

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specifica con le molecole da monitorare,oppure la variazione della risonanza postreazione. Un interessante biosensore è scaturito dalprogetto europeo Optonanogen (5PQ). Sitratta di un dispositivo optonanomecca-nico portatile della grandezza di unamano, costituito da un array di 20 micro-cantilever che possono essere funzionaliz-zati per il rilevamento di DNA, proteine,contaminanti negli alimenti. L’interazionecon le molecole in esame della superficiefunzionalizzata del cantilever comportauna deflessione di quest’ultimo e vienemisurata mediante raggio laser. Ne è pre-vista la commercializzazione tramite unaspin-off company (Sensia). Particolareappare il sistema microfluidico di entratae uscita del campione nell’array dei canti-lever e che è stato brevettato: ciascun can-tilever usa una propria entrata e uscita,anziché impiegare un’unica entrata e usci-ta per l’intero array.Esistono anche array di cantilever fun-zionanti sulla variazione di risonanza,generata in presenza di proteine o virusche si vengano a legare sulla superficieopportunamente funzionalizzata (6). Èinteressante notare come, nel caso divirus, si sia pervenuti a valutare la mas-sa di un singolo virus, stimata tra 8 e 12femtogrammi fg (1 fg = 10-15 grammi).In genere si riscontra che una maggioresensibilità dei cantilever è legata alle lorominori dimensioni e ciò ha spinto per unaprogressiva miniaturizzazione degli array,ma alcuni autori hanno mostrato che talesensibilità è legata anche alle cinetichedi adesione e diffusione delle biomole-cole sulla superficie dei cantilever.

Alimenti interattivi e personalizzati,nanoincapsulazione per cibi funzionali

Le nanotecnologie si affacciano anchenella preparazione e formulazione ali-mentare. Ad esempio nell’allestimento

di sistemi nanofiltranti (membrane conporosità nanometrica uniforme) daimpiegare in varie fasi della preparazio-ne di alcuni alimenti, al fine di migliorar-ne le caratteristiche organolettiche, omediante l’impiego di nanoemulsioni perrendere maggiormente utilizzabili alcu-ni principi attivi da parte dell’organismo.Il futuro dell’alimentazione sembra risie-dere, secondo alcune iniziative in corso,anche nel cibo interattivo: attraente,sano e adattabile alle esigenze del con-sumatore. L’idea che un domani si possascegliere, come consumatori, di cambia-re il colore, il gusto o le componentinutrizionali di un alimento può appari-re da un lato eccitante ma anche lascia-re interdetto qualche buongustaio.Aziende come Nestlè, Kraft Nanoteklavorano a progetti che impiegano nano-tecnologie per produrre cibi che libere-rebbero sapori o colori diversi in funzio-ne delle esigenze del consumatore,oppure che sarebbero in grado di rispon-dere alle sue esigenze nutrizionali, men-tre una azienda giapponese intendereb-be addirittura produrre alimenti in gradodi liberare essenze profumate alla rosao alla vaniglia attraverso la pelle10!Anche se al momento pochi prodotti del“nanofood” sono sul mercato, si prevedeuna sua forte crescita e alcune stime loposizionano sui 20 MD di $ per il 2010,mentre per il cibo funzionale le stime par-lano di 37,7 MD di $ per l’anno 2007. Il Pro-ject on Emerging Nanotechnologies, cui siè fatto cenno in precedenza, è una inizia-tiva attivata nel 2005 dal Woodrow Wil-son International Center di Washington,con lo scopo di informare il pubblico suipossibili rischi e benefici per i consumato-ri delle applicazioni nanotecnologiche. Nelsuo sito www.nanotechproject.org è pos-sibile avere informazioni sui prodotti e leapplicazioni nei vari campi. Sui circa 280prodotti elencati, 23 sono relativi al setto-re alimentare: integratori in formulazio-




ne nano (c’è una richiesta di brevetto peril termine “nanoceutico”) per rimuoverepiù efficacemente i radicali liberi, formu-lazioni per ridurre la tensione superficia-le di cibi e integratori per un miglioreassorbimento e così via. Tra le iniziativeintese all’innovazione nella preparazionee processamento degli alimenti, vannoricordate quelle di alcune aziende (Unile-ver, Nestlè) che studiano l’impiego di nano-particelle in alimenti come cioccolato, mar-garina, gelati, burro, maionese, al fine direnderne più facile la lavorazione, prolun-garne la conservazione e la stabilità,migliorarne il gusto, mentre la Basf com-mercializza carotenoidi (incluso il licope-ne) a scala nano da impiegare come addi-tivi. Il licopene è al centro di interessi ancheper il suo impiego in cosmetica e aziendeattive nel settore alimentare e in quellocosmetico (Nestlè, L’Oréal) lavorano con-giuntamente per lo sviluppo di prodottida ingerire e che avrebbero effetti cosme-tici per l’accumulo nella pelle dei principiattivi. Ciò rappresenterebbe un esempiodelle molteplici intersezioni rese possibilidalle nanotecnologie: un ponte tra indu-stria alimentare, cosmetica e medicina.Si è fatto cenno in precedenza allenanoemulsioni, che rappresentano i pun-ti di forza di alcune interessanti iniziati-ve tese a migliorare la qualità degli ali-menti o a rendere più stabili alcuni

componenti di prodotti alimentari.Com’è noto, le emulsioni sono misceledi liquidi non miscibili (dispersioni col-loidali) e rappresentano un sistema ter-modinamicamente instabile. Per confe-rire maggiore stabilità a questi sistemisi aggiungono in genere degli emulsifi-canti in quanto queste sostanze, agen-do sulla tensione superficiale, tendonoa formare membrane protettive intornoalla gocce di liquido sospeso o adaumentare la repulsione tra le goccestesse. Ricerche in corso tendono invecea produrre emulsioni di principi attivi informa di particelle di dimensioni nano-metriche e perciò più stabili. La figura 4mostra le foto di una emulsione norma-le e di una nanoemulsione e si può nota-re la differenza nelle dimensioni e nel-la uniformità delle goccioline indispersione.Gli aromi sono una componente essen-ziale dei cibi e l’industria alimentare faricorso a quelli naturali e a quelli artifi-ciali nella preparazione di molti prodot-ti. In genere tutti gli alimenti presenta-no un proprio caratteristico aroma, maspesso questo è legato a vari compostivolatili che tendono ad evaporare o avenire ossidati in presenza di calore, lucee umidità. Si è notato che gli aromiimpiegati nelle preparazioni alimenta-ri, se usati in forma di nanoemulsioni,

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Figura 4Emulsioni: a sini-stra nanoemulsio-ne; a destra emul-sione normaleFonte: Q. Huang.The future of inte-ractive food. Perso-nalizing taste andtexture in the foodindustry. Procee-dings Nanotechno-logy in Food andAgricolture Confe-rence, Washington,June 2006

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sono molto più stabili. Analogamenteaccade per i polifenoli, e tra essi i flavo-noidi, composti molto utili presenti neicibi, ma che risultano scarsamente solu-bili in acqua e di difficile assorbimentonell’intestino. In definitiva, esistono naturalmente neicibi molti componenti, presenti spessoin piccole quantità, che hanno un’azio-ne benefica sul nostro organismo, comeben sappiamo. Da tempo le innovazio-ni nella tecnologia alimentare si sforza-no di incrementare la biodisponibilità diquesti nutrienti. Mediante il procedi-mento della nanoincapsulazione è pos-sibile introdurre queste sostanze innanocapsule che possono essere traspor-tate nell’intestino e lì liberare il loro con-tenuto. In tal modo sostanze idrofobi-che possono essere rese solubili in acqua,viceversa sostanze idrofiliche possonodivenire solubili nei grassi. Aquanova,una società tedesca attiva nel settore,ha in portafoglio diversi prodotti sottoforma di solubilizzati; tra i prodottil’azienda annovera vitamine, coenzimaQ10, acido sorbico, β− carotene, luteina,acidi omega 3. I vari prodotti risultanostabili in varie condizioni biochimiche,di pH, temperatura e sono ad alta bio-disponibilità, risultando solubili sia insistemi acquosi che lipidici. Uno degli aspetti che vengono eviden-ziati da queste applicazioni è la possibi-lità di far pervenire direttamente ilnutriente nei tessuti di assorbimento: adesempio nel caso di pane recante nano-capsule di olio di pesce ricco in omega 3il consumatore non avverte il gusto dipesce e può assumere l’olio che vienerilasciato nell’apparato digerente. Lastessa tecnologia è posta in atto nel casodi yogurt e alimenti per bambini. Tra levarie aziende attive in questo campo, varicordata anche la BioDelivery ScienceIntl. che produce “nanococleati”, sortadi fogli di fosfatidil serina (derivata dal-

la soia), avvolti ad elica, del diametro dicirca 50 nm. Essi sono in grado di incor-porare nutrienti e composti vari (vitami-ne, acidi grassi insaturi, antiossidanti,carotenoidi ecc.) e trasferirli alle celluledella parete intestinale, senza degrada-zione da parte dei succhi gastrici e sen-za alterare il gusto o l’odore dell’alimen-to in cui vengono introdotti.

Packaging “intelligente”

Il cosiddetto packaging intelligente pre-vede che il confezionamento, nel casodei prodotti alimentari, risponda nonsolo alla necessità di conservarne l’igie-ne e la freschezza, ma possa anche, tral’altro, fornire informazioni più o menocomplesse al produttore o al consuma-tore sull’effettivo stato di conservazio-ne del prodotto, agire per allungare ladurata della confezione, dare la possibi-lità di controllarne la disponibilità inmagazzino, la tracciabilità negli sposta-menti ecc. Le attività di sviluppo in que-sto campo sono ovviamente in continuaevoluzione: vanno registrate, ad esem-pio, anche quelle relative a confeziona-menti in grado di “parlare” al consuma-tore con suoni o voci11, per affermareuna qualità o mettere in guardia per unacorretta conservazione del prodotto.I primi requisiti chiesti sono verosimil-mente la tracciabilità e la registrazionedella temperatura di alcuni prodotti (sur-gelati) e a questo riguardo si può accen-nare allo sviluppo di quei sensori a chipin grado di trasmettere in radio frequen-za (Rfid), che possono essere incorpora-ti nell’imballaggio e in alcuni casi nelprodotto stesso. Sono già stati introdot-ti in alcune confezioni da varie aziende,come il colosso WalMart, Home Depot,Metro e Tesco. Con alcune modifiche alRfid, i prodotti potrebbero essere “segui-ti” non solo all’interno dei negozi (confinalità antitaccheggio) ma anche dopo




l’acquisto da parte del consumatore eciò ha sollevato più di un interrogativo,per gli aspetti legati alla privacy. Direcente anche in Italia un Consorzio diproduzione del Grana Padano ha intro-dotto l’impiego di sensori Rfid in ogniforma del prodotto, al fine di preservar-ne l’identità di produzione. Sono allostudio evoluzioni dei Rfid che consenta-no l’acquisizione di ulteriori dati comeumidità, contenuto di ossigeno o anidri-de carbonica.L’imballaggio di prodotti alimentari chepossa incorporare sensori capaci di daremolteplici informazioni sulla correttaconservazione degli alimenti rappresen-ta pertanto una forte innovazione nelsettore, rispondendo anche a unadomanda di trasparenza da parte deiconsumatori. Esistono già, a tale propo-sito, iniziative per lo sviluppo di specia-li pellicole protettive che fanno ricorsoalle nanotecnologie. La Bayer ad esempio ha sviluppato unapellicola poliamidica (Durethan) cheincorpora nanoparticelle di argilla e ini-bisce il passaggio di gas come ossigenoo anidride carbonica. Il polimero è anchepiù resistente e leggero di quelli piùcomunemente usati. Silice amorfa e ossidi di titanio in scalanano vengono inoltre proposti comecomponente inorganica di sottilissimirivestimenti (0,5 - 20 nm) per prepara-zioni alimentari, aventi lo scopo di pre-venire il contatto con l’ossigeno o l’umi-dità. La Mars, grande multinazionalealimentare, ha ottenuto un brevetto perquesto tipo di rivestimenti12. La sottilis-sima pellicola inorganica andrebbe arivestire direttamente dei dolciumi, evi-tando l’assorbimento di umidità atmo-sferica e il contatto con l’aria e preser-vando in tal modo la consistenzaoriginale del prodotto. L’azienda si èindirizzata su queste componenti di ori-gine inorganica perché ritenute sicure

dall’agenzia Usa FDA, almeno nel lorostato macrodimensionale.La Nanocor sta invece lavorando, tra l’al-tro, allo studio di bottiglie in plastica dimateriale nanocomposito, in grado dicontenere in modo soddisfacente la bir-ra. Mediante incorporazione di nano-particelle di argilla (montmorillonite, unsilicato idrato di alluminio e magnesio)si ottiene una plastica in cui le nanopar-ticelle omogeneamente diffuse creanopercorsi molto tortuosi per il passaggiodelle molecole gassose. Ne deriva anchequi la impenetrabilità all’ossigeno e latenuta dell’anidride carbonica. Kraft, che nel 2000 ha creato con altreaziende e università il consorzio inter-nazionale Nanotek e che appare forte-mente interessata agli alimenti interat-tivi, si è indirizzata, in tema di packagingintelligente, allo sviluppo di film con sen-sori incorporati per il monitoraggio dieventuali patogeni nei cibi. In caso dipresenza di questi ospiti indesiderati siotterrebbe una variazione di colore,mentre sono in corso anche ricerche indi-rizzate allo sviluppo di pellicole in gra-do di produrre preservanti, in caso di ini-zio di un processo di alterazione nel ciboimballato. Sensori avanzati da incorpo-rare nella confezione alimentare, confunzione di “naso” e “lingua” elettro-nici, sfrutterebbero perciò la loro alta especifica sensibilità per dare tempestiveinformazioni sulla qualità dell’alimento.La University of Connecticut (associataal consorzio Nanotek) lavora tra l’altroallo sviluppo di sensori da impiegare nelconfezionamento della carne e chedarebbero informazioni sui primi segna-li di alterazione del prodotto medianteuna variazione di colore della confezio-ne13. Si sta pensando però anche ad imbal-laggi attivi, ad esempio a sistemi in gra-do di rimuovere l’ossigeno presente ocontenenti sostanze antimicrobiche

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come le nanoparticelle di argento cheinterferiscono con l’RNA dei batteri econ la crescita di funghi nelle confezio-ni alimentari. Nel caso degli alimentifreschi refrigerati, è noto che uno deiprincipali elementi da tenere sotto con-trollo è la pressione parziale di ossige-no all’interno della confezione. Occor-re quindi intervenire o per evitarel’ingresso di ossigeno o per rimuoverequello presente. Tra le pellicole svilup-pate recentemente va ricordato il filmmultistrato della Cryovac, che consistedi un polimero ossidabile, un fotoini-ziatore e un catalizzatore. In pratica ilsistema è ideato in modo tale che ilpolimero reagente contenuto nel filmdiventi attivo grazie alla esposizione airaggi ultravioletti, generati da unapposito sistema di illuminazione postoall’interno del sistema di lavorazione.Una azienda californiana, produttricetra l’altro di confezioni di petto di tac-chino, garantisce in tal modo la conser-vazione del prodotto refrigerato finoa 55 giorni. La Nanoplex (California) lavora inveceallo sviluppo di nanoparticelle recantiun codice a barre (nano barcode). Si trat-ta di elementi metallici (oro, argento,palladio, platino) in forma di piccolissi-me barrette in cui differenti lunghezzedei vari metalli formano appunto uncodice a barre, a lettura ottica, dallenumerosissime combinazioni. In praticaquesto sistema rappresenta la versionemolecolare del codice a barre e connanoelementi opportunamente funzio-nalizzati può essere in grado di rilevareanche la presenza di patogeni nei cibi.Come si vede esiste una serie di iniziati-ve tendenti a sviluppare l’idea stessa delconfezionamento, che viene a rappre-sentare non più solo una semplice sepa-razione fisica tra il prodotto e l’ambien-te circostante, ma un sistema complessoin grado di monitorare lo stato del pro-

dotto, la sua collocazione, fornire mol-teplici informazioni. Una etichetta, unaconfezione possono essere quindi in gra-do di effettuare una diagnosi sulle carat-teristiche del prodotto, controllando variparametri indicatori. L’evoluzione di que-ste etichette intelligenti va nella direzio-ne di fare a meno di data base e lettori,rendendo l’etichetta capace di mostra-re direttamente l’informazione richie-sta, mediante le nuove tecnologie distampa dei circuiti integrati.Si stima difatti che nel giro di pochianni saranno disponibili etichetterecanti circuiti elettronici direttamen-te stampati sui substrati, al costo dipochi euro. In questo ambito va ricor-dato anche che esistono tecnologieche usano display elettrocromici e cheappaiono avere un forte potenzialeapplicativo. In esse si impiegano poli-meri conduttivi, in grado cambiarecolore al passaggio di una piccola cor-rente, che può essere fornita da bat-terie anch’esse incorporate nel sub-strato. I polimeri più usati sono ilpolietilendiossitiofene/acido sulfoni-co del polistirene (PEDOT/PSSH), lapolianilina, il polipirrolo, il poliesiltio-fene. Le straordinarie capacità condut-tive e semiconduttive dei polimeri, laloro versatilità chimico-fisica, li rendo-no idonei all’impiego come “inchio-stro” per la stampa di svariati compo-nenti elettronici. Con queste tecnologie è possibile quin-di stampare su fogli sottili e flessibili(metà dello spessore di una carta di cre-dito) display elettrocromici numerici ealfanumerici, integrati con microproces-sori, batterie, Rfid. La Aveso, una spinoff di Dow Chemical, la Siemens, laAcreo (azienda che collabora con la sve-dese Linkoping Universitet) e alcunealtre sono attive nello sviluppo di siste-mi intelligenti di packaging che si avval-gono di queste tecnologie.




Fluidi supercritici e nanotecnologie

I fluidi supercritici, com’è noto, sonosostanze che si trovano a temperaturae pressione maggiori di quelle critiche;essi mostrano densità paragonabili aquelle dei liquidi, viscosità pari all’in-circa a quelle dei normali gas e diffu-sività maggiore di almeno due ordinidi grandezza rispetto ai liquidi. Per illoro alto potere solvente e per la faci-lità con cui possono essere rimossi dal-le reazioni in cui sono coinvolti (persemplice variazione della pressione),sono impiegati in un gran numero diapplicazioni. Tra essi il più usato, spe-cie nell’industria agroalimentare, è rap-presentato dalla CO2, essendo moltodiffusa, economica e con una tempe-ratura critica di appena 31 °C, oltre checon basso impatto ambientale. E infat-ti sono numerose le applicazioni dellaCO2 supercritica (CO2 sc) in estrazioni,purificazioni, cristallizzazioni, volte adottenere nutrienti e principi attivi comelecitina di soia, betacarotene, licope-ne, oli essenziali ecc.Di recente l’interesse nei confronti del-la CO2 sc si è focalizzato inoltre suaspetti della chimica dei materiali,microelettronica e nanotecnologie. LaCO2 sc viene infatti impiegata, tra l’al-

tro, nei processi per l’ottenimento dinanocristalli, nanoparticelle e mate-riali polimerici nanoporosi e nanocom-positi, per lo sviluppo di biosensori edi catalizzatori. Al momento si regi-stra una maggiore concentrazione diattività nella preparazione di nano-materiali a base metallica o minerale,ma si prevede una crescita notevoledei nanopolimeri e delle nanoplasti-che con conseguenti importanti appli-cazioni. L’impiego di CO2 sc si rivela utile per l’ot-tenimento di catalizzatori basati sunanoparticelle di metalli, leghe e semi-conduttori incorporate in matrici poli-meriche, in cui le nanoparticelle riman-gono uniformemente disaggregate, siain superficie che all’interno della matri-ce polimerica. La CO2 sc è anche usataper lo sviluppo di catalizzatori costituitida nanofilamenti metallici (Pd, Ni, Cu)all’interno di nanotubi di carbonio aparete multipla, più omogenei e unifor-mi rispetto ad altre tecniche o per l’ot-tenimento di film sottili recanti nano-particelle uniformemente ordinate efunzionalizzate da impiegare per cata-lisi e sviluppo sensori [7].Per quanto riguarda la preparazionedi materiali polimerici, va detto che èpossibile legare molecole biologichealla superficie del polimero, oppureincorporare nanoparticelle per la crea-zione di materiali nanocompositi aven-ti una maggiore resistenza rispetto alsemplice polimero. La NanoscienceEngineering Corporation (una spin-outdella Wayne State University, Usa) habrevettato una tecnologia per l’otte-nimento di polimeri nanocompositi adalta resistenza, stabilità al calore eridotta permeabilità, con l’impiego diCO2 sc; uno dei previsti impieghi perquesti polimeri è nel food packaging14.Altre ricerche sono rivolte all’otteni-mento di polimeri e copolimeri nano-

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Figura 5Etichette intellgen-ti: circuiti integratistampati su plasticaFonte: Aveso. www.aveso-display.com

che hanno ricevuto negli anni 1997-2005fondi pubblici per oltre 4,9 MD di $,mentre nello stesso periodo il Giappo-ne stanziava circa 4,5 MD di $ e l’UE cir-ca 3,9 MD di $. In totale l’investimentomondiale è stato di oltre 17 MD di $ inquegli stessi anni. Secondo dati recen-ti, nel solo 2005 le nanotecnologie han-no ricevuto globalmente finanziamen-ti, tra pubblici e privati, per circa 9,6 MDdi $15. Nell’esaminare l’impegno difinanziamento dei vari governi si notail significativo sforzo dei paesi asiaticiprima ricordati. Tale impegno apparevieppiù notevole se rapportato allapopolazione, in particolare per la Coreadel Sud e Taiwan.Per quanto riguarda gli Usa, va ricorda-to il programma “National Nanotechno-logy Iniziative”, lanciato nel 1999, cheha ricevuto finanziamenti sempre piùcrescenti, ottenendo nel solo 2006 1,2MD di $, mentre per il 2007 sono statirichiesti circa 1,3 MD di $16. Anche l’an-damento dei finanziamenti in UE mostraun forte aumento negli ultimi anni, nel-l’ambito dei vari programmi quadro. Col6PQ (2002-2006), l’UE ha finanziato inparticolare attività di R&S nelle nano-scienze e nanotecnologie per 1.429 MLdi €, mentre il finanziamento approva-to per il 7PQ prevede circa 3,5 MD di €per gli anni 2007-2013. Nel novembre2006 la Commissione Europea ha inoltrepredisposto un rapporto sulle prospet-tive di sviluppo economico delle nano-tecnologie17.In Italia, ove si registrano finanziamen-ti per circa 47 ML di € nel 2005, ascri-vibili alle attività dei vari istituti uni-versitari e di ricerca pubblici, è statocreato il Centro Italiano Nanotecnolo-gie, Nanotec It, per lo sviluppo e lapromozione di queste tecnologie trale imprese, per favorire la diffusionedi nuovi prodotti e processi. Membridel Nanotec It sono varie imprese e

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porosi, sfruttando la evaporazione del-la CO2 sc. Con la CO2sc si investiga anche per l’ot-tenimento di schiume polimeriche con-duttive (polipirroli e poliuretani) al finedi impiegare questi polimeri come “nasoelettronico” per l’identificazione disostanze chimiche, sulla base di unavariazione di conduttività.Altri impieghi si registrano nei proces-si per l’ottenimento di integratori ali-mentari in forme maggiormente bio-disponibili. Ad esempio nel caso deifitosteroli (impiegati come integratorialimentari o alimenti funzionali per laloro capacità ipocolesterolemizzante),che hanno solubilità molto scarsa, siriscontra che la loro biodisponibilitàpuò essere aumentata diminuendo ledimensioni delle particelle in fase diproduzione. Sfruttando la rapidaespansione della CO2sc si possono otte-nere sospensioni acquose stabili di sub-microparticelle (< 500 nm) di fitostero-lo, aumentandone in tal modo labiodisponibilità.Appare pertanto chiaro, dai pochi esem-pi ricordati, che la CO2sc per le sue pecu-liari caratteristiche ben si presta ad atti-vità di preparazione di nanoparticelle enanostrutture complesse, utilizzabili invari ambiti applicativi, incluso quelloagroalimentare.

Aspetti economici: investimenti,brevetti, impatto sui Pvs

I finanziamenti che le nanotecnologiehanno complessivamente ricevuto nelmondo sono andati notevolmente cre-scendo negli anni. Essi vedono ai primiposti i paesi più industrializzati, ma lapresenza di realtà come Cina, Corea delSud e Taiwan appare sempre più degnadi considerazione. Gli Usa guidano laschiera dei paesi maggiormente impe-gnati nel settore, con le attività di R&S




centri di ricerca, tra cui Brembo, SaesGetters, STMicroelectronics, Pirelli,CNR, ENEA, INFN, Enitecnologie, Vene-to Nanotec ecc. Recentemente Nano-tec It ha prodotto il “2° censimentodelle nanotecnologie in Italia”, un rap-porto che fotografa l’evoluzione chehanno avuto nel Paese le nanotecno-logie in questi anni con l’ingresso dinuovi attori e l’avvio di nuove inizia-tive volte a favorire l’impegno in que-sto settore. Le attività dell’ENEA, inparticolare, riflettono tipicamente lapresenza di competenze e programmimultidisciplinari e sono rivolte sia allostudio e alla caratterizzazione dei nuo-vi materiali che alle conseguenti appli-cazioni nei vari campi. Così agli studisui materiali compositi ceramici, metal-lici, nanocristallini e amorfi, si aggiun-gono quelli sui nanotubi di carbonio emateriali nanostrutturati, con poten-ziali applicazioni nella sensoristica edelettronica avanzata. Presso i labora-tori dell’ENEA sono inoltre condottericerche volte alla sperimentazione dinanotecnologie per l’integrazione disistemi molecolari e supramolecolariorganici e biologici all’interno di dispo-sitivi micro e nanoelettronici. Anche ipolimeri nanocompositi ricevono gran-de attenzione, soprattutto per impie-ghi in campo sensoristico o per la rea-lizzazione di pellicole sensibili perimpieghi nell’industria alimentare.Vengono inoltre effettuati studi per losviluppo di sistemi diagnostici per laqualità e sicurezza alimentare, basatisu approcci integrati di biotecnologie,nanotecnologie e tecnologie fisiche.Il mercato delle nanotecnologie, secon-do alcune stime di Lux Research,dovrebbe raggiungere i 2.600 MD di $nel 2014. Per quanto concerne il setto-re agroalimentare, va detto che sonoallo studio globalmente più di 300applicazioni nei vari stadi del processo

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produttivo e alcune di esse risultanogià sul mercato, come risulta ad esem-pio dal citato inventario dei prodottiderivanti dalle nanotecnologie che ilProject on Emerging Nanotechnologiesdi Washington ha redatto18.Il mercato del “nanofood” viene stima-to in crescita, dai 7 MD di $ del 2006 ai20,4 MD di $ nel 2010, con circa 400aziende attualmente attive nel mon-do, in ricerca, sviluppo e produzione19.Secondo queste stime le nanotecnolo-gie e le convergenze tecnologichenano-bio-info influenzeranno per oltreil 40% il mercato agroalimentare entroil 2015, comprendendo le innovazioninella produzione e processamentodegli alimenti, nella sicurezza alimen-tare, negli alimenti funzionali e nutra-ceutici, nel packaging intelligente. Inquest’ultimo segmento si prevede unacrescita fino a 3,7 MD di $ nel 2010, alivello mondiale.Le innovazioni hanno bisogno di nuo-ve conoscenze e può essere utile a que-sto punto dare anche uno sguardoall’andamento delle pubblicazioni e deibrevetti nei vari paesi, dopo averneosservato gli impegni nei finanziamen-ti. Si riscontra anche qui una significa-tiva presenza di Cina e Corea del Sud,mentre per i brevetti è da notare chela sola Cina totalizza (nel 2004) unnumero di brevetti maggiore di quellodell’Unione Europea. Secondo moltianalisti i brevetti ottenuti, in particola-re quelli relativamente meno recenti,risultano estremamente ampi nellerivendicazioni e possono pregiudicarel’ulteriore sviluppo del settore. La stes-sa associazione degli industriali nano-tec Usa ha espresso qualche anno fapreoccupazione per questo aspetto,anche per le inevitabili dispute legaliche sorgeranno. Infatti rivendicazioniampie comportano sovrapposizioni conaltri brevetti e quindi possibili denun-

do ricorso ad aerogel nanostrutturatodi silice, come un brevetto della Goo-dyear induce a pensare20.

Potenziali rischi, percezione pubblica e implicazioni sociali

L’innovazione tecnologica ha consenti-to nel corso degli anni il miglioramentodelle condizioni di vita, ma ha determi-nato anche il sorgere di preoccupazioniper i rischi, sia per la salute che per l’am-biente, legati alle varie tecnologie.Anche le applicazioni delle nanotecno-logie comporteranno, pertanto, rischi ebenefici che la società dovrà valutare,ma alcuni aspetti appaiono del tuttonuovi rispetto a quanto si è verificatosinora. La complessità dei nanomateria-li prodotti o in fase di progettazione faràsì che i loro effetti, il loro comportamen-to non saranno esclusivamente determi-nati dalla loro chimica, ma anche dalladimensione, dalla forma, dalla reattivi-tà della superficie e ciò è fortementediverso dal comportamento di analoghimateriali in forma macro o convenzio-nale. Per questi motivi da alcune parti sitende ad auspicare, oltre che approfon-dite indagini e ricerche sugli effetti sul-la salute e sull’ambiente, anche una spe-cifica regolamentazione, mentre diverseaziende del settore alimentare o farma-ceutico, che hanno sviluppato -o si accin-gono a farlo- prodotti contenenti nano-particelle, agiscono con cautela primadella loro introduzione sul mercato. Ineffetti, a livello internazionale, il mon-do industriale appare conscio di nondover assolutamente ripetere gli erroricompiuti con le coltivazioni e gli alimen-ti Ogm. Infatti prima di una estesa dif-fusione nel mercato vanno affrontati iproblemi relativi ai rischi, reali o perce-piti, eventualmente associati ai nanopro-dotti, in particolare per quelli destinatiad impieghi farmaceutici o alimentari.

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ce di violazioni brevettuali, con mag-giori probabilità di affermazione, nellungo termine, per le imprese con mag-giori risorse economiche. Insieme con le entusiastiche prospetti-ve che molti analisti suggeriscono, circal’impatto economico che le applicazio-ni delle nanotecnologie avranno sui varisettori produttivi nei paesi tecnologica-mente avanzati, occorre considerareanche le possibili conseguenze che essepotranno avere sulle economie menoforti dei paesi in via di sviluppo (Pvs).Storicamente si è spesso verificato, difat-ti, che le varie innovazioni tecnologichehanno comportato notevoli ripercussio-ni negative sulle economie più deboli,a partire dal commercio delle varie spe-cie “esotiche” vegetali come conseguen-za del colonialismo e dalla rivoluzioneindustriale inglese nel settore manifat-turiero. La maggioranza dei Pvs trovaancora oggi in alcune materie prime lamaggioranza dei proventi da esporta-zione e le nanotecnologie, che hanno ilpotenziale di alterare completamentela situazione attuale praticamente inogni settore industriale e produttivo,dall’agroalimentare all’energia ai nuo-vi materiali all’elettronica, potrebberodrasticamente sostituire i materiali tra-dizionali, recando notevoli danni adeconomie che si reggono sostanzialmen-te sulla loro esportazione. Particolareimpatto negativo potrebbe aversi neipaesi che esportano cotone (tra essiIndia, Pakistan, ma anche 22 paesi afri-cani) e gomma naturale (Tailandia, Indo-nesia, Malaysia, Vietnam). Esistono giàinnovazioni nel tessile per la produzio-ne di fibre artificiali rese traspirantimediante le nanotecnologie, mentrel’aggiunta di nanoparticelle ai pneuma-tici potrebbe raddoppiarne la durata,riducendo al contempo la necessità dinuovi acquisti. Ma già si pensa alla sosti-tuzione della gomma come tale, facen-




Sintomatico il caso accaduto in Germa-nia nel marzo 2006: un sigillante pervetro denominato MagicNano è appar-so creare problemi respiratori ai consu-matori. È stato immediatamente toltodal mercato, anche se si è poi appuratoche non conteneva nella formulazione,al di là del nome, alcuna nanoparticel-la. Va ricordato che circa un terzo dellecentinaia di prodotti relativi alle appli-cazioni nanotecnologiche già sul merca-to, in prevalenza negli Usa, sono desti-nati ad essere ingeriti o applicati sullapelle. Anche se al momento non emer-ge una ben documentata evidenza didanni alla salute o all’ambiente, ciò vaconsiderato come una possibile conse-guenza di scarsi studi sull’argomento ocome una ancora limitata diffusione diquesti prodotti. Nella valutazione deipotenziali rischi sembrerebbe che, almomento, una maggiore attenzionedebba essere posta nei confronti del per-sonale direttamente impegnato nellaproduzione dei nuovi materiali, rispet-to ai consumatori o alla popolazione ingenerale e all’ambiente. Va però aggiunto che prodotti cosmeti-ci, integratori e additivi alimentari e pro-dotti di largo consumo che fanno ricor-so alle nanotecnologie sono presenti sulmercato, soprattutto negli Usa per ades-so, senza che siano intervenuti control-li preventivi sugli eventuali rischi per lasalute e per l’ambiente ad essi legati. Adesempio l’Oréal e una ditta australiana(Advanced Nanotechnology Ltd) recla-mizzano prodotti cosmetici contenentinanoparticelle atte a penetrare nell’epi-dermide, mentre come si è detto poco ènoto circa eventuali effetti negativi,anche per gli aspetti di diffusione nel-l’ambiente. Anche per gli integratori ali-mentari non sono richiesti studi preven-tivi per stabilire l’assenza di effettinegativi. Gli additivi alimentari a lorovolta, specie quelli impiegati per la pro-

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duzione o il packaging e che non fannoparte dell’alimento in sé, godonoanch’essi di una assenza di valutazioneobbligatoria degli eventuali rischi asso-ciati. Ciò appare sorprendente se si con-sidera che queste applicazioni prevedo-no, anche se in misura diversa, l’ingressonel corpo umano di nanomateriali (8).Anche in Europa, ovviamente, esiste unaforte attenzione per lo studio dei rischiassociati alle nuove tecnologie. Da quan-to sinora pubblicato emerge la notevo-le carenza di informazioni sul compor-tamento biologico delle nanoparticelle,sulla loro distribuzione, accumulazione,metabolismo ed eventuale tossicità orga-no-specifica. Oltre alla necessità di unaapprofondita conoscenza dei potenzia-li effetti negativi legati a queste tecno-logie, la Commissione Europea suggeri-sce di tener conto, il più precocementepossibile nella fase di ricerca e sviluppo,delle considerazioni etiche, sanitarie,ambientali e normative correlate alle tec-nologie, e di incoraggiare il dialogo colpubblico. A tal fine va ricordato il pro-getto Nanologue, che si inserisce pro-prio in tale contesto. Finanziato nell’am-bito del 6PQ, ha sviluppato il Nanometer,uno strumento on line che aiuta ricerca-tori e sviluppatori di prodotti a condur-re rapide valutazioni sociali in materiadi applicazioni nanotecnologiche primadella commercializzazione. Lo strumen-to consente di analizzare con accuratez-za i rischi e vantaggi delle singole appli-cazioni nanotecnologiche in base a setteindicatori etici, sociali e giuridici, tra cuifigurano i vantaggi per la società, la salu-te e l’ambiente, i requisiti in termini dirisorse, la privacy e la trasparenza. In occasione del Forum europeo sullenanoscienze tenutosi a Bruxelles nell’ot-tobre 2006 è stata ribadita la necessitàdi un approccio comune da parte discienziati, mondo politico e società nelsuo complesso, tenendo in forte consi-

strazione con sistemi innovativi di pesti-cidi, farmaci, fertilizzanti alle varie col-ture; al controllo e localizzazione adistanza delle colture; al monitoraggioprecoce di agenti patogeni o di sostan-ze chimiche contaminanti; alla possibili-tà del rilevamento, con alto grado disensibilità, del grado di purezza dei pro-dotti; ad innovazioni di prodotto e diprocesso nell’industria alimentare, anchein combinazione con la tecnologia deifluidi supercritici; a metodi innovativiper diagnosi e terapia in zootecnia; allosviluppo di un “packaging intelligente”.In sintesi si può prevedere che le nano-tecnologie potranno trasformare l’inte-ra industria agroalimentare, modifican-do il modo con cui gli alimenti vengonoprodotti, processati, confezionati, tra-sportati e consumati. Nel frattempo siregistrano alleanze strategiche tra “cor-porations” alimentari, farmaceutiche edella cosmesi che mettono anche in evi-denza il potenziale superamento di alcu-ni confini finora ritenuti abbastanza net-ti per differenziare un alimento da unfarmaco o da un prodotto cosmetico. Le nuove tecnologie e i nuovi materiali pos-seggono un elevato impatto economico esociale e da più parti ne viene pertantoauspicato uno sviluppo responsabile. Ciòrichiede di perseguire un equilibrio tra glisforzi tesi ad ottenere i massimi beneficipossibili e quelli volti a ridurne al minimole eventuali conseguenze negative. Leapplicazioni delle nanotecnologie compor-teranno in definitiva rischi e benefici chela società dovrà valutare, ma alcuni aspet-ti appaiono del tutto nuovi rispetto a quan-to si è verificato sinora, per quanto concer-ne lo sviluppo industriale. L’UE manifestaovviamente attenzione per i potenzialieffetti negativi legati a queste tecnologiee in vari documenti suggerisce di tener con-to, il più precocemente possibile nella fasedi ricerca e sviluppo, delle considerazionietiche, sanitarie, ambientali e normative

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derazione le preoccupazioni del pubbli-co, siano esse o no ritenute giustificate.Una relazione del Parlamento Europeonel settembre 2006 ha inoltre esortatol’UE a fare luce sul contesto giuridico ecommerciale delle nanotecnologie, e acreare un sistema di monitoraggio deibrevetti nel campo delle nanoscienze edelle nanotecnologie sotto l’egida dal-l’Ufficio europeo dei brevetti21.

Conclusioni

Le nanotecnologie possono consentireun così vasto numero di applicazioni chedi esse si parla talvolta come artefici diuna nuova rivoluzione industriale. Sitratta di una realtà che vede il conver-gere di molteplici discipline scientifichee i prodotti e processi derivanti dallamanipolazione della materia a scalanano, che già sono sul mercato o cuipotremmo avere accesso nei prossimianni, vanno delineando diverse genera-zioni o tipologie, con crescente comples-sità. Questi futuri sviluppi saranno sem-pre più legati, in particolare, allenanobiotecnologie, all’interazione stret-ta a livello nano tra la materia vivente equella non vivente, evidenziando la pos-sibilità di impiego dei sistemi biologicial di fuori delle cellule viventi per con-sentire l’ottenimento di nanostrutture,nanostrumenti, autoassemblatori. I maggiori finanziamenti delle nanotec-nologie generalmente sono rivolti ver-so la biomedicina, l’energia, l’elettroni-ca, tuttavia le potenziali applicazionidelle nanotecnologie nel settore agroin-dustriale e agroalimentare aprono pro-spettive di innovazione e di impatto eco-nomico che non appaiono inferioririspetto a quelle degli altri settori. Leprincipali applicazioni di interesse neivari settori dell’agroindustria e del-l’agroalimentare sono rivolte schemati-camente, come si è visto, alla sommini-




correlate alle tecnologie, e di incoraggia-re il dialogo col pubblico. Da più parti, inEuropa come negli Usa, si sostiene comesia preferibile avviare per tempo su questitemi il dibattito tra tutte le parti interessa-te, per evitare di ripetere l’errore commes-so con gli Ogm, nel cui caso il pubblico si èrivelato riluttante ad accettare qualsiasicosa avesse un lontano sentore di Ogm. In definitiva appare chiaro che le applica-zioni delle nanotecnologie, in particolarequelle rivolte alla salute, all’industria ali-mentare, all’agricoltura (per ciò che con-cerne, ad esempio le formulazioni nanodei pesticidi e dei fertilizzanti, il trattamen-to suoli), richiedono un attento esame pri-ma di estenderne la diffusione nel merca-to. Se da un lato le potenzialità che esseoffrono sono estremamente interessanti,è pur vero che le convergenze con le altretecnologie e la peculiarità della manipo-lazione della materia a dimensione nano,rendono obbligatoria una forte attenzio-ne da parte della scienza e da parte dellasocietà nel suo complesso.

Glossario

Attuatori. Dispositivi attraverso cui siorigina un’azione in risposta ad unostimolo proveniente da un ambienteesterno. Esempi: un motore elettrico,un braccio umano, parti di robot cheinteragiscono con l’esterno.

Biosensori. Dispositivi per la rilevazio-ne di sostanze, formati da un compo-nente biologico (tessuti, cellule, enzimi,anticorpi, acidi nucleici ecc.), un trasdut-tore e un elemento di lettura, general-mente di tipo chimico-fisico (ottico, elet-trochimico, piezoelettrico ecc.).

Claytronics. Nanorobot riconfigurabi-li, progettati per costituire, associando-si, apparati, macchine, forme o strumen-ti in scala macro. Allo studio presso la

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Carnegie Mellon University (Usa). Defi-niti anche come materia programmabi-le, dovrebbero avere la capacità di assu-mere la morfologia di qualsiasi oggetto,anche repliche del corpo umano. Dota-ti di capacità di elaborazione, attuatori,sensori, immagazzinamento di energia.

Convergenze tecnologiche. Interse-zione a scala nanometrica di varie scien-ze e tecnologie: nanotecnologie, biotec-nologie, tecnologie dell’informazione edella comunicazione, neuroscienze escienze cognitive. Vengono accreditatedi elevate potenzialità di incisione sulleprestazioni dell’uomo e sul miglioramen-to della qualità della vita.

Dendrimeri. Nanoparticelle di forma glo-bulare, formate da macromolecole polime-rizzate, estremamente ramificate, che pre-sentano cavità e canali interni. Questacaratteristica le rende adatte al trasportodi molecole con specifiche funzioni, in appli-cazioni biomediche, chimiche, elettroniche.

Fullereni. Nanoparticelle scoperte sulfinire degli anni 80, costituite da 60 ato-mi di carbonio e aventi la forma di unpallone da calcio. Studiate come costi-tuenti di varie strutture nella nanofab-bricazione e in varie applicazioni anchebiomediche.

Microscopio a scansione a effettotunnel. Brevettato nel 1982. Prevedeuna sottile punta che scorre in prossimi-tà del campione (che deve essere con-duttivo), traducendo in immagini levariazioni di corrente elettrica che si veri-ficano tra il campione e la punta sensi-bile: l’intensità della corrente aumentamoltissimo al diminuire della distanzatra campione e punta. Impiegato ancheper la nanofabbricazione, potendo pre-levare e rilasciare atomi dal campione.Microscopio a forza atomica. In questo

per visualizzare cellule o tessuti, sfruttandola caratteristica di emettere per fluorescen-za una luce il cui colore dipende dalle dimen-sioni delle nanoparticelle: tendente al rossoin quelle più grandi, al blu in quelle minori.

Sensori. Strumenti capaci di percepirevariazioni fisiche, chimiche, biologichenell’ambiente (luce, suoni, temperatura,radiazioni, movimento, pressione, sostan-ze, batteri ecc.). I sensori possono sia dareun’indicazione diretta (ad esempio untermometro a mercurio) o essere accop-piati ad un indicatore in modo che il valo-re rilevato possa essere letto facilmente.

Sistemi fluidici. Dispositivi che impiega-no fluidi per operazioni analogiche o digi-tali, simili a quelle ottenute con circuitielettronici. Con la loro miniaturizzazionesi parla di sistemi microfluidici e nanoflui-dici. Al di fuori del fluido non ci sono par-ti in movimento. Le nanotecnologie spes-so includono sistemi fluidici, in cui le forzedi interfaccia solido-liquido e liquido-liqui-do divengono altamente importanti.

Strutture adattative. Materiali e for-me strutturali che possono reagire acambiamenti dell’ambiente, fornendomigliori prestazioni. Necessitano pertan-to di sensori ed attuatori.

Transistor 3-D. Innovativi transistor atriplo gate, sviluppati per otteneremigliori prestazioni anche a scala vicinaai 30 nm, con minore produzione di calo-re rispetto ai transistor convenzionali.

Trasduttori. Dispositivi in grado di con-vertire un segnale (energia) in un altrodifferente, per scopi di misura o di tra-sferimento di informazione. Sono spes-so di tipo elettrico, elettronico o elettro-meccanico. Usati talvolta come sinonimodi sensore e attuatore.Per informazioni ENEA - Dipartimento Biotecnologie, Agroindustria

Vincenzo Capuano

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caso si possono analizzare anche campio-ni non conduttivi. La punta sensibile, gran-de pochi nm, si sposta lungo la superficieda cui viene respinta da forze repulsivedovute agli elettroni. Appositi meccanismidi regolazione mantengono costantemen-te a contatto la punta sul campione e intal modo è possibile avere, mediante sen-sori ed elaborazioni, un’immagine dellasuperficie del campione in osservazione.Utilizzato per nanomanipolazioni.

Nanocompositi. Classe di materiali inno-vativi in cui sono presenti nanoparticelle(spesso nanotubi di carbonio) in piccolaquantità e che conferiscono interessantiproprietà al materiale originario.

Nanomotore. Struttura di dimensioninanometriche in grado di sviluppare unlavoro, con elementi in movimento. Puòessere costituito anche da elementi deri-vati dal mondo biologico, come protei-ne, acidi nucleici.

Nanotubi. Nanostrutture aventi forma ditubo, con diametro di pochi nm e lunghez-za variabile, ma generalmente di vari ordi-ni di grandezza maggiore. In gran partesono di carbonio, ma ne esistono ancheinorganici e di acidi nucleici. I più studiatisono quelli di carbonio, che possono esse-re a parete singola o multipla. Sono dota-ti di interessanti proprietà conduttive, semi-conduttive e di alta resistenza meccanica.Ne sono previste molteplici applicazioni.

Polimeri nanostrutturati. Polimeri,aventi spesso caratteristiche conduttive,in cui sono introdotte in modo funzio-nale nanoparticelle.

Quantum dot. Nanocristalli, in genere rife-riti a materiale semiconduttore (es. seleniu-ro di cadmio) delle dimensioni di poche deci-ne di nm. Vengono prodotti per vari scopiin nanoelettronica, e anche in biomedicina




e Protezione della [email protected]

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