mercoledì, Dicembre 19, 2018
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Sorrisoni inquietanti e fiori nanoscopici

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FOTOGRAFIA – Si è aperto domenica a Firenze il simposio internazionale EPF 2013 (European Polymers Federation 2013), per fare il punto su quello che a prima vista potrebbe sembrare un noiosissimo tema da specialisti: i polimeri. E anch’io, quando sono stata contattata da Luca Boarino, ricercatore dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica – INRiM di Torino, per scriverci su un articolo, sono rimasta un po’ titubante. Poi Luca mi ha mostrato questo inquietante sorrisone. Purtroppo ho capito poi che non c’entrava quasi nulla con il tema del convegno. “In effetti è il risultato del lavoro di una nostra studentessa, che ha esagerato un po’ con il fascio ionico e nel tagliare ed estrarre una sezione di nanofili di silicio ha prodotto questo… ” Si tratta quindi di silicio e non di polimeri…

Invece questo fiore, altrettanto bello ma molto meno inquietante e che ha anche vinto un premio internazionale di fotografia elettronica nel 2011, c’entra eccome. “Si è formato facendo cadere una goccia di soluzione contenente miliardi di nanosfere di polistirene su un pezzo di silicio e aver aspettato che l’acqua evaporasse. Le nanosfere hanno un diametro di poche centinaia di nanometri, circa mille volte più piccole di un capello umano, e grazie alla loro carica superficiale riescono, in acqua, a organizzarsi in strutture bi e tridimensionali ordinate, come in questo caso”.

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I polimeri sono composti (sintetici o naturali) che hanno un’infinità di proprietà straordinarie e per questo sono un elemento essenziale nella vita di tutti i giorni. La ricerca, poi, sta cercando di fabbricare cose ancora più straordinarie. Per esempio, continua Luca, “il mio compito è fabbricare e misurare meglio che si può (dato che lavoro presso l’Istituto che in Italia si occupa di misure) nanostrutture su larga area, utilizzando il metodo del self-assembly, e già la parola richiama le tecniche che la natura utilizza da milioni di anni per sintetizzare tutti gli organismi superiori…”

Il self-assembly è un fenomeno di autorganizzazione della materia inorganica e organica che avviene a vari livelli, da quello atomico e molecolare a quello che viene chiamato supramolecolare, in cui i componenti fondamentali, quasi fossero pezzetti di Lego, sono grandi gruppi di molecole o addirittura singoli nano-oggetti come le nanosfere di polistirene o altri polimeri.

Perché il self-assembly è oggi così importante? “Dagli anni sessanta delle prime radioline a transistor a oggi, per ogni anno trascorso, la quantità di componenti elettronici e quindi di informazione in un centimetro quadro è sempre raddoppiata. Tutto il mercato dei prodotti elettronici obbedisce e cerca di mantenere tale livello di crescita, nonostante in poco più di 50 anni si sia passati da poche unità a miliardi di componenti elettronici in una scheggia di silicio (chip) di pochi millimetri quadrati.”

Naturalmente in tutto ciò gli investimenti e i ricavi hanno un’importanza fondamentale. “Sì, certo… ma non tanto per la produzione dei componenti stessi, quanto per gli stabilimenti: ormai si parla di miliardi di dollari per un solo centro di produzione. Raddoppia il numero di pezzi prodotti, raddoppia la capacità di memoria e di calcolo di ogni circuito integrato, e necessariamente le dimensioni di un singolo componente fondamentale per la logica digitale, il CMOS (Complementary MOS, un interruttore velocissimo che può passare miliardi di volte dallo stato logico 0 a 1) devono ridursi a dimensioni ben al di sotto di qualunque oggetto siamo abituati a vedere coi nostril occhi. Proprio qui sta il nodo che viene affrontato in questi anni, perché la tecnologia di base dell’elettronica è la litografia ottica, un processo simile a quello della fotografia digitale che proietta delle geometrie opportunamente disegnate su maschere in quarzo e cromo su un polimero fotosensibile (fotoresist). Più piccole sono le strutture geometriche dei circuiti che si vogliono disegnare, e più piccola deve essere la lunghezza d’onda utilizzata per fotografare i polimeri, per evitare effetti di ombreggiatura e sfocatura. Le lunghezze d’onda della litografia ottica scendono di anno in anno e oggi siamo ormai nel campo dell’ultravioletto più estremo, 350, 250 e ora 193 nanometri.”

Ovviamente si cerca di superare questi limiti e si sta già lavorando per raggiungere I 32 nanometri e subito dopo si passerà ai 22… e poi? Riusciremo a rimpicciolire sempre di più i nostri dispositivi e le aziende, di conseguenza, riuscirannno a rimanere in affari? Luca, esiste già una strada tracciata? “Una delle possibili soluzioni individuate dalla comunità delle aziende del silicio (l’ITRS, International Technology Roadmap of Semiconductors) è il Directed Self Assembly di copolimeri a blocchi. Semplicemente sciogliendo in un solvente opportuno due polimeri come il polistirene (PS) e il PoliMetilMetAcrilato (PMMA), spalmandoli ad alta velocità sulla solita fetta di silicio e portandoli alla giusta temperatura, i copolimeri si separano in due fasi distinte, geometricamente organizzate e più piccole di qualunque struttura definibile coi classici metodi di litografia ottica. Se poi gli stessi copolimeri trovano delle strutture più grandi, quali bordi o gradini realizzati con dimensioni più grandi, loro sono in grado di percepire tali discontinuità e di ordinarsi parallelamente o nel loro interno.

Il controllo di questi sistemi sta diventando un cruciale campo di ricerca per le università e soprattutto per le grandi compagnie del silicio e dell’elettronica, perché grazie a questi sistemi potremo controllare sempre meglio la scala nanometrica e produrre sistemi elettronici sempre più potenti. Gli istituti europei di metrologia come l’iNRiM, il National Physical Laboratory (NPL) in Inghilterra, il PTB in Germania e tanti altri si sono organizzati in network (EMRP) e stanno finanziando con l’aiuto degli stati membri e della Comunità Europea progetti come TReND, che si prefigge di sviluppare e migliorare le tecniche di misura e di analisi composizionale di nanostrutture autorganizzate quali i polimeri a blocchi.

Da tutte queste ricerche di base si possono intravedere, già molto distintamente, applicazioni in campi a forte interesse industriali. Ecco perché i brevetti sono indispensabili. Anche in Italia, nel nostro piccolo, qualcosa si sta facendo.

Per approfondire:

Kristina Grifantini, Moore’s law, MIT New Technology Review

Crediti immagini: Nanofacility Piemonte, INRIM

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