meraviglie microscopiche

Dalle piramidi alla micromeccanica: come la tecnologia ha ridefinito il concetto di “monumentale”

Le piramidi, gli acquedotti romani, la muraglia cinese sono opere di ingegno di cui ancora ammiriamo l’imponenza. Oggi, con lo sviluppo dell’elettronica, della meccanica e delle scienze biologiche, le opere monumentali sono invece invisibili a occhio nudo, e hanno ridefinito la nostra vita

01 Apr 2022
Antonio Cisternino

Università di Pisa

In pochi decenni l’umanità è passata dalla realizzazione di grandi opere monumentali che hanno caratterizzato millenni di storia alla creazione di microstrutture sempre più complesse, delle moderne opere monumentali ma invisibili a occhio nudo.

A differenza di quanto si potrebbe pensare, la capacità di manipolare la materia al livello microscopico non è compartimentata e le scoperte si influenzano vicendevolmente contribuendo ad ottenere un controllo senza precedenti su un mondo che non possiamo sperimentare con i nostri sensi, ma che oramai è necessario per assicurare il funzionamento dei dispositivi che hanno ridefinito la nostra vita.

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E così, lo sviluppo dell’elettronica, della meccanica e delle scienze biologiche hanno spostato l’attenzione dall’imponente al miniaturizzato e sviluppando sempre nuove tecniche per la realizzazione di meraviglie microscopiche.

L’elettronica, ad esempio, ha aperto la via al mondo microscopico, governato dalle leggi controintuitive della meccanica quantistica, cercando di stampare quanti più transistor possibili all’interno dei nostri microchip per aumentare la potenza di calcolo dei microprocessori. Ci siamo oramai abituati a leggere di materiali con proprietà straordinarie come il grafene: uno strato di atomi di carbonio con proprietà straordinarie che trova già numerose applicazioni in molti ambiti. Ma la miniaturizzazione non è l’unico componente di questo mondo di meraviglie microscopiche, anche la manipolazione delle cellule e delle proteine ci consegna sempre nuove applicazioni, dai robot cellulari ai vaccini mRNA che hanno protetto la popolazione dal COVID-19 inaugurando una nuova era nei trattamenti basati sulla programmazione cellulare attraverso RNA messaggero.

La micromeccanica

Un componente molto importante dei nostri smartphone è l’accelerometro: ovverosia quel componente che il telefono usa per misurare le accelerazioni a cui il dispositivo è sottoposto inclusa la forza di gravità. È grazie a questo microcomponente che possiamo girare il telefono per sfruttare meglio lo schermo quando vediamo un video, e quando lo si osserva sembra in tutto e per tutto un componente elettronico allo stato solido. In realtà il componente, appartenente alla famiglia dei MEMS (MicroElectroMechanical System), è una meraviglia della miniaturizzazione che funziona in modo analogo ad un sistema di molle con un grave al centro la cui dinamica viene misurata e convertita in segnali elettrici che poi vengono misurati e usati dal software per innumerevoli applicazioni.

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I MEMS hanno permesso la realizzazione di sensori microscopici, basati su principi meccanici, adatti per essere integrati all’interno dei dispositivi e più robusti delle controparti tradizionali vista l’entità della massa utilizzata.

È grazie ai MEMS che è possibile realizzare i molti filtri acustici che abitano le nostre cuffie e dispositivi: la possibilità di realizzare dispositivi meccanici con dimensioni microscopiche consente di realizzare elementi che vibrano ad alte frequenze grazie alle minuscole masse e impossibili da realizzare a scale più grandi.

Le nanostrutture della materia

Il grafene è un recente esempio di come lo studio della materia si esprime a scale microscopiche: con una procedura relativamente semplice dai fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov che sono riusciti a separare strati spessi un solo atomo di atomi di carbonio organizzati secondo uno schema simile ad un alveare.

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Il materiale ricco di proprietà degne di nota ha rapidamente trovato impieghi industriali nei settori dell’elettronica, della chimica, e della meccanica per citarne solo alcuni.

La capacità di controllare i pattern geometrici di un materiale sta trovando applicazioni nella realizzazione di strutture che esibiscono proprietà, per esempio meccaniche, di altri materiali. Ecco che si possono realizzare oggetti di un solo materiale che, grazie alla propria struttura, si comportano come se fossero composti di altri materiali. Queste tecniche, disponibili anche a livello macroscopico, sono destinate ad influenzare la realizzazione di nanostrutture con proprietà specifiche.

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Microstrutture biologiche

I bioingegneri hanno sviluppato tecniche di microfabbricazione per coltivare tessuti coltivando cellule. Usando queste tecniche è possibile coltivare cellule specifiche per realizzare strati cellulari che un giorno potrebbero portare alla realizzazione di interi organi.

Sicuramente sono alla base della realizzazione di tessuto muscolare per la produzione di bistecche ottenute coltivando le cellule piuttosto che allevando animali per ridurre l’impatto ambientale della produzione di cibi basati su proteine animali.

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La sequenziazione del genoma umano e la conseguente ottimizzazione dei processi per la manipolazione delle strutture genetiche ha aperto la strada alla manipolazione di microstrutture organiche che hanno contribuito alla realizzazione dei vaccini mRNA che hanno contribuito in modo determinante a contrastare la pandemia di COVID-19. La codifica delle istruzioni necessarie per assemblare la proteina spike caratteristica del coronavirus avviene mediante il cosiddetto RNA messaggero, il meccanismo usato dalle cellule per determinare la struttura delle proteine da assemblare, programmando quindi di fatto le cellule per ottenere il comportamento desiderato: la produzione delle proteine spike che a loro volta stimoleranno il sistema immunitario.

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Lo strano mondo dei quantum computer

La fisica quantistica consente di descrivere le interazioni della materia a livello microscopico, esibendo comportamenti totalmente contrari all’esperienza che tutti abbiamo del mondo della fisica classica. A livello microscopico la materia sembra comportarsi in modo bizzarro, rifiutandosi di essere osservata con precisione ed esibendo proprietà fantascientifiche come assumere contemporaneamente più stati fino a quando non viene osservata.

Per quanto bizzarre queste teorie sono quelle che hanno reso possibile la realizzazione di componenti elettronici come i LED, e i quantum computer. Computer per ora ancora relegati al mondo della ricerca, basati sui Q-Bit o quantum bit, elementi capaci di assumere simultaneamente lo stato di 0 e 1 contrariamente ai più prosaici bit che tutti usiamo nei nostri computer.

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In questo strano mondo i Q-Bit vengono elaborati usando dei gate che sfruttano le proprietà del mondo quantistico per poter effettuare un calcolo. I quantum computer hanno in sé il potenziale di rivoluzionare aree cruciali dell’informatica, come, ad esempio, la crittografia e in particolare quella a chiave pubblica, strumento centrale nella realizzazione di transazioni economiche nel mondo digitale.

Oltre a richiedere strutture microscopiche i quantum computer hanno bisogno di operare a temperature prossime allo zero assoluto.

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