Il Nobel per la chimica 2023 assegnato per gli studi sui quantum dots

Intorno alle ore 11.45 di mercoledì 4 ottobre, il portavoce dell’Accademia reale svedese delle scienze ha annunciato che il premio Nobel per la chimica 2023 è stato assegnato a Moungi Bawendi (n. 1961), chimico franco-statunitense di origine tunisina del Massachusetts Institute of Technology (Mit), a Louis Brus (n. 1943) professore di chimica della Columbia University e ad Alexei Ekimov (n. 1945), fisico dello stato solido russo che ha lavorato all’istituto statale di ottica Vavilov prima di trasferirsi negli Stati Uniti nell’azienda Nanocrystals Technology. L’annuncio ufficiale è stato preceduto da un piccolo giallo poiché già all’alba di mercoledì alcuni media svedesi avevano pubblicato in anticipo i nomi dei tre vincitori e l’Accademia era intervenuta per smentire che la decisione fosse già stata presa. In realtà poi i nomi sono stati confermati. Anche l’Accademia dei Nobel non è immune da errori! Le motivazioni che hanno indotto l’Accademia a questa scelta sono state le seguenti: “per la scoperta e lo sviluppo dei punti quantici (quantum dots). Queste minuscole particelle hanno proprietà uniche e ora diffondono la loro luce dagli schermi televisivi e dalle lampade a LED. Catalizzano le reazioni chimiche e la loro luce chiara può illuminare il tessuto tumorale per un chirurgo”[1].
Per comprendere meglio cosa siano i punti quantici è utile fare un passo indietro[2].

Nel dicembre del 1959, l’americano Richard Feynman (1918-1988), premio Nobel per la fisica nel 1965, tenne, presso il California Institute of Technology, una conferenza, oramai divenuta storica, dal titolo There’s Plenty of Room at the Bottom – An Invitation to Enter a New Field of Physics[3] (C’è molto spazio giù in basso: un invito a entrare in un nuovo campo della fisica).
Nella sua conferenza Feynman ipotizzava, in modo fantascientifico per l’epoca, la possibilità di manipolare la materia a livello atomico realizzando dispositivi che operino su questa scala. La conferenza di Feynman è oramai considerata la data di nascita delle cosiddette nanotecnologie, cioè tecnologie con dimensioni a livello dei miliardesimi di metro (1 nm = 10^-9 m). Per avere un’idea di cosa significhino queste dimensioni, ricordiamo che gli atomi hanno raggi variabili tra 0,5 ·10^-10 e 2 ·10^-10 metri e le molecole tra 10^-10 e 10^-8 metri.
Dal 1959 a oggi i progressi in questo campo sono stati straordinari, confermando ampiamente la previsione visionaria del grande fisico statunitense.
L’evoluzione di questo settore di ricerca ha interessato inevitabilmente anche la scienza dei materiali. L’argomento è addirittura considerato a livello politico e giuridico, tanto è vero che la Commissione Europea, in data 18 ottobre 2011, ha introdotto la seguente definizione: “Con «nanomateriale» s’intende un materiale naturale, derivato o fabbricato contenente particelle allo stato libero, aggregato o agglomerato, e in cui, per almeno il 50 % delle particelle nella distribuzione dimensionale numerica, una o più dimensioni esterne siano comprese fra 1 nm e 100 nm.[4]”.

A parità di composizione chimica, i materiali ridotti in dimensioni nanometriche assumono particolari proprietà chimico-fisiche che non compaiono a livello di dimensioni superiori. Questo accade perché la scala nanometrica rappresenta una sorta di zona di confine tra l’ambito in cui valgono le leggi della fisica classica e quello in cui cominciano invece a valere quelle della meccanica quantistica. Inoltre alla scala nanometrica i materiali assumono un valore elevatissimo del rapporto superficie/volume. Di conseguenza diventano predominanti le proprietà degli atomi di superficie che risultano nettamente prevalenti dal punto di vista numerico. È anche opportuno osservare che a livello nanometrico non solo appaiono proprietà diverse da quelle che un materiale presenta a livelli di dimensioni superiori, ma tali proprietà risultano diverse anche da quelle presentate dalle singole molecole o dai singoli atomi.
I nanomateriali possono essere classificati in base al numero di dimensioni che superano la lunghezza di 100 nm. Abbiamo quindi materiali zero-dimensionali (0D), in cui tutte e tre le dimensioni sono su scala nanometrica. A questa categoria appartengono le nanoparticelle, i nanocristalli, i fullereni, i cluster molecolari e, appunto, i cosiddetti quantum dots o punti quantici.
I materiali mono-dimensionali (1D) sono quelli in cui una sola delle tre dimensioni è superiore ai 100 nm e quindi abbiamo nanofili e nanotubi. Quelli bi-dimensionali (2D) hanno una sola dimensione a scala nanometrica e appartengono pertanto a questa categoria le matrici di nanoparticelle e i film nanometrici. Infine i materiali tri-dimensionali (3D) non hanno alcuna dimensione nanometrica quindi non sono considerati nanomateriali.
I nanomateriali si possono trovare anche in natura. Ad esempio, durante i processi di erosione, le eruzioni vulcaniche e gli incendi boschivi possono essere liberate nanoparticelle. Strutture nanometriche possono poi ritrovarsi nel regno animale e vegetale. Quelli sintetici possono essere prodotti appositamente con determinati processi e talvolta possono anche essere il sottoprodotto di altre tecniche produttive.
Molti processi biologici avvengo a livello nanometrico. Questo, se da un lato consente un uso biomedico delle nanoparticelle, dall’altro ha stimolato l’attenzione nei confronti della eventuale tossicità delle nanoparticelle. Ogni tipo di nanoparticella va valutato a sé e vi sono molti studi diretti in questa direzione per garantire la massima sicurezza nell’uso di questi nuovi materiali.

Le nanoparticelle sono aggregati atomici o molecolari con un diametro compreso tra circa 1 e 100 nm. Le particelle con diametro maggiore, da 100 a 2500 nm, vengono considerate particelle sottili. Relativamente a diametri compresi tra 1 e 100 nanometri, si parla anche di particelle ultrasottili. Quest’ultima denominazione si riferisce però a particelle che non presentano le caratteristiche chimico-fisiche tipiche della nanoscala. Se almeno una delle dimensioni è compresa tra 1 e 10 nm, si parla più propriamente di nanocluster. In genere con l’espressione nanopolveri si intende un agglomerato di particelle ultrasottili, nanoparticelle propriamente dette e nanocluster. Se le nanoparticelle hanno una struttura cristallina si parla di nanocristalli. In campo farmaceutico si parla anche di nanosfere o nanocapsule con riferimento a nanoparticelle, in genere a matrice polimerica, impiegate per la veicolazione di principi farmacologicamente attivi.
Quello delle nanoparticelle è un settore di ricerca recente, tuttavia le nanoparticelle erano usate, sia pure inconsapevolmente, anche nel passato.
In molte ceramiche antiche si osserva una superficie particolarmente scintillante di aspetto metallico. Questo effetto è dovuto alla presenza di una pellicola metallica applicata sulla superficie trasparente della vetrinatura. Questa pellicola contiene nanoparticelle di argento, oro o rame disperse in modo omogeneo all’interno della matrice vetrosa. L’effetto era ottenuto dagli artigiani mescolando sali di rame, argento o oro e altri additivi sulla superficie della ceramica precedentemente smaltata. La successiva cottura provocava la migrazione degli ioni metallici verso la parte esterna della superficie. La successiva riduzione degli ioni produceva le nanoparticelle metalliche che davano il particolare effetto alla superficie (tecnica del lustro). In particolare esiste un oggetto di epoca romana che suscita notevole interesse: si tratta del cosiddetto vaso di Licurgo. Si tratta di una coppa, risalente al IV secolo, costituita da un calice di vetro incastonato in un telaio esterno. La decorazione riproduce una scena che rievoca la punizione di Licurgo da parte di Dioniso. La particolarità di quest’opera vitrea consiste nell’assumere colorazioni diverse a seconda di come la si guarda. Se si guarda in trasparenza, ovvero con una fonte luminosa posta dietro l’oggetto, esso appare rosso. Se invece lo si guarda in riflessione, con la sorgente di luce dalla stessa parte di chi osserva, appare verde. Questo insolito comportamento (detto dicroico) deriva dalla presenza, all’interno della massa vetrosa, di minuscole particelle di oro e argento. L’ignoto artigiano che realizzò l’opera sicuramente non lo sapeva, ma è stato dimostrato che tali particelle hanno dimensioni nanometriche, ovvero dell’ordine del miliardesimo di metro. Nel IV secolo a.C. abbiamo quindi un esempio di nanotecnologia ante litteram. Sono note anche altre vetrate antiche che presentano questa singolare caratteristica.

Dicevamo che le singolari proprietà che emergono a livello nanometrico dipendono dall’elevatissimo rapporto superficie/volume e quindi dal ruolo svolto dagli atomi di superficie. Una di queste proprietà è la maggiore capacità di assorbimento di radiazioni elettromagnetiche da parte delle nanoparticelle, rispetto a materiali di dimensioni superiori. Questo può essere utilmente sfruttato nelle cellule fotovoltaiche per aumentarne l’efficienza. Le nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO) hanno un’elevata capacità di assorbire i raggi UV. Questo spiega il loro utilizzo in lozioni e creme solari. Anche le proprietà elettriche e magnetiche di un materiale possono variare notevolmente a livello nanometrico. Le nanoparticelle possono rimanere facilmente in sospensione in un liquido, senza sedimentare. Queste sospensioni possono acquisire insolite proprietà ottiche. Ad esempio le nanoparticelle d’oro in sospensione appaiono con colorazione che va dal rosso cupo al nero. La grande superficie delle nanoparticelle favorisce inoltre i processi di sinterizzazione che possono di conseguenza avvenire a temperatura più bassa. La grande superficie influenza le proprietà catalitiche delle nanoparticelle, che risultano esaltate. Tale azione catalitica è spesso favorita dalla luce. Ad esempio le nanoparticelle di biossido di titanio (TIO₂) hanno una energica azione foto-catalitica che permette diverse applicazioni di questo materiale: ad esempio per realizzare rivestimenti che degradano inquinanti atmosferici organici e vernici autopulenti.
Nanoparticelle inserite come fase rinforzante in materiali compositi, con matrici di varia natura, ne migliorano notevolmente le caratteristiche.
Possono anche esistere nanoparticelle semi-solide. Un esempio sono i cosiddetti liposomi. Si tratta di vescicole fosfolipidiche, con dimensioni tra i 25 nm e 1 µm. Spesso contengono un nucleo di soluzione acquosa. Se non lo contengono sono chiamate micelle. I liposomi trovano impiego nel trasporto di farmaci e principi attivi all’interno dell’organismo.
Particolarmente interessanti sono le nanoparticelle di materiali semiconduttori. Si tratta di materiali che presentato una conducibilità elettrica inferiore rispetto ai metalli. Inoltre la loro conducibilità aumenta all’aumentare della temperatura, mentre per i metalli accade il contrario.
La meccanica quantistica consente di dimostrare che per un solido cristallino esistono sempre due bande elettroniche (insiemi continui di livelli energetici). Quella di energia minore prende il nome di banda di valenza e, come si usa dire, risulta occupata da elettroni. In altre parole, gli elettroni del cristallo hanno energie che corrispondono ai valori contenuti in questa banda. La seconda banda ha invece un’energia maggiore e prende il nome di banda di conduzione. In condizioni normali essa è vuota, ovvero nessun elettrone del solido possiede valori di energia che ricadano in questa banda. La differenza di energia tra il più basso livello energetico della banda di conduzione e il più alto livello energetico della banda di valenza prende il nome di energy gap.
Nei metalli l’energy gap è nullo (bande adiacenti) o addirittura negativo (bande sovrapposte). È quindi sufficiente pochissima energia (come quella fornita da una differenza di potenziale elettrico) per far sì che gli elettroni passino liberamente dalla banda di valenza a quella di conduzione. Questo spiega la loro elevata conducibilità elettrica. Negli isolanti, invece, l’energy gap è molto alto e gli elettroni non riescono a transitare da una banda all’altra. Nei semiconduttori, infine, il valore dell’energy gap è intermedio e questo spiega la loro conducibilità elettrica, diversa da zero, ma decisamente minore rispetto a quella dei metalli.
Se si include un materiale semiconduttore, con un certo energy gap, all’interno di un altro semiconduttore con un energy gap più grande, si ottiene una particolare nanostruttura chiamata quantum dot o punto quantico. La loro particolare struttura genera livelli discreti di energia, anziché bande elettroniche. Questo li rende simili, dal punto di vista energetico, a singoli atomi (che hanno appunto livelli energetici discreti). Per questo motivo i punti quantici sono anche chiamati “atomi artificiali”. Questi punti quantici presentano singolari proprietà che li rendono utilizzabili per realizzare unità di informazioni quantistiche (i cosiddetti qbit) impiegati nei computer quantistici. Possono inoltre trovare applicazioni come riserva di energia, come sorgenti luminose, per la produzione di celle fotovoltaiche, come rilevatori di immagine e, in campo medico, per il trasporto di chemioterapici. In commercio, ad esempio, esistono già televisori il cui schermo utilizza quantum dots (i cosiddetti QLED).
In generale le nanoparticelle possono essere sintetizzate con varie tecniche che utilizzano processi meccanici, fisici o chimici. Una volta prodotte è importante caratterizzarle, cioè valutarne le caratteristiche dimensionali e chimico-fisiche. Questo può essere fatto utilizzando diverse tecniche di microscopia elettronica e a forza atomica e con tecniche spettroscopiche (raggi X, infrarossi, ultravioletto e visibile, risonanza magnetica nucleare, ecc.).
I tre neo-Nobel per la chimica hanno dato importanti contributi allo studio dei quantum dots. In particolare Brus ed Ekimov ne hanno previsto l’esistenza e descritto le proprietà, mentre Bawendi ha perfezionato i metodi per realizzarli. Tra le altre cose, Ekimov ha mostrato come la tonalità assunta da un vetro colorato dipende proprio dalle dimensioni delle particelle nanometriche presenti al suo interno. Ekimov nel 1981 pubblicò uno studio in russo che rimase tuttavia poco conosciuto a livello internazionale. Due anni dopo Brus arrivò a conclusioni analoghe, usando però particelle nanometriche sospese in un liquido. Col tempo le particelle si aggregavano, aumentando le loro dimensioni, e questo determinava un cambiamento di colore della sospensione.
Nel 1993 Bawendi, allievo di Brus, mise a punto un metodo per ottenere con precisione nanoparticelle di dimensioni, e quindi proprietà, volute.
La tecnologia dei quantum dots è quindi piuttosto giovane e, come sottolineato dalla stessa Accademia reale svedese delle scienze, si preannunciano per il futuro interessanti e sorprendenti applicazioni.

[1] https://www.nobelprize.org/;

[2] Si veda anche: S. Fuso, Il segreto delle cose. Storie di uomini e materiali, Carocci, Roma 2021;

[3] Il testo integrale della conferenza è disponibile qui: http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html;

[4] Raccomandazione della Commissione del 18 ottobre 2011 sulla definizione di nanomateriale, “Gazzetta Ufficiale dell’Unione Europea” 20 ottobre 2011, disponibile qui: https://tinyurl.com/yajformb;

 

CREDITI FOTO  EPA/Claudio Bresciani SWEDEN OUT

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