Intervista a Massimiliano Cavallini, Dirigente di ricerca del CNR – Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati
Modificare la struttura degli atomi per intervenire direttamente sulla superficie della materia mediante delle particelle che agiscono come “droni molecolari”. Sembra futuristico ma invece si tratta dell’ultimo, in termini temporali, grande risultato dei ricercatori dell’Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (ISMN) del CNR. Grazie all’avanzamento tecnologico degli strumenti e a un’intuizione avuta anni fa, il team di ricercatori composto da Matteo Baldoni, Francesco Mercuri e guidato da Massimiliano Cavallini è da poco giunta a un risultato che apre la strada a innovazioni potenzialmente rivoluzionarie, tanto da essere subito accettato e pubblicato sulla prestigiosa rivista Advanced Materials, con tanto di copertina posteriore.
“La ricerca nasce da uno spunto avuto casualmente molti anni fa, mentre ero studente alla facoltà di Chimica dell’Università di Firenze” ci spiega Cavallini, “da uno di quei risultati che a volte ottieni e non sai perché, ma si insinuano in un angolo della tua mente e non ti abbandonano più. In seguito, ho iniziato a lavorare sulle nanotecnologie ed in particolare sulle tecniche di nano fabbricazione dette bottom-up, ovvero sulla costruzione di strutture nanometriche assemblate a partire da atomi o molecole, e, grazie all’esperienza maturata e all’avanzamento tecnologico degli strumenti, quella prima intuizione è oggi giunta a un risultato importante”. I ricercatori sono riusciti, infatti, a impiegare le molecole non come elementi di fabbricazione bensì come strumenti.
Utilizzando questo tipo di tecnica innovativa si potranno creare materiali completamente nuovi oppure, più nell’immediato, ingegnerizzare quelli esistenti per specifiche applicazioni: migliori accumulatori di carica per le batterie (super capacitori), catalizzatori per lo sviluppo dell’idrogeno super efficienti che non hanno bisogno di metalli preziosi, materiali termoelettrici (ovvero materiali che trasformano il calore direttamente in energia elettrica, come i pannelli solari) altamente efficienti. “Tramite i ‘droni molecolari’” chiosa Cavallini, “questi materiali potrebbero raggiungere quelli che oggi sono i limiti teorici della loro resa ed efficienza”.
In pratica, fino ad oggi si poteva operare sulla superficie della materia su scala sub-nanometrica, ovvero a livello del singolo atomo, ma erano interventi casuali, non si poteva prevedere dove le particelle esterne sarebbero andate ad agire.
Grazie alla ricerca degli scienziati del CNR, invece, si è messa a punto una tecnica che permette agli atomi di posizionarsi in un luogo specifico e asportare proprio l’atomo desiderato, creando un “difetto” (una mancanza) programmato che permetterebbe di agire a piacere su materiali già esistenti e, addirittura, di crearne di nuovi mai visti. In che modo? Una molecola in soluzione atterra su una superficie e si “attacca” a un atomo ben preciso prima di ricevere uno stimolo elettrochimico che ne provoca l’allontanamento insieme all’atomo selezionato. Tra l’altro, se si osserva la forma di tali molecole e si pensa alla loro funzione, si capisce anche perché, con un’intuizione particolarmente efficace, i ricercatori hanno scelto di chiamarle “droni molecolari”.
“Fino ad oggi” aggiunge Cavallini, “per effettuare la manipolazione atomica si è utilizzato un microscopio a scansione tunnelling, ovvero uno strumento che non utilizza la luce per ingrandire la materia ma permette di vedere e manipolare direttamente gli atomi. Il microscopio a scansione (tunnelling) è uno strumento fantastico, presente in molti laboratori ma è in grado di manipolare gli atomi solo uno a uno, diversamente dal metodo sviluppato dai ricercatori del CNR che è un metodo detto “parallelo”, nel quale tutte le molecole agiscono contemporaneamente”.
Inoltre, i droni sono molecole già note da decine di anni, (ftalocianine) che si producono anche a livello industriale. Quindi, un altro punto di forza di questa ricerca è che potrebbero sfruttare molecole ampiamente conosciute e strumenti abbastanza diffusi, il che ne aumenta esponenzialmente le possibilità di applicazione pratica.
Una delle applicazioni proposte per i “droni molecolari” è nel settore della microelettronica, per il cosiddetto “drogaggio” (doping in inglese, proprio come quello sportivo) dei semiconduttori, che sono gli elementi alla base di tutti i dispositivi elettronici. Infatti, il drogaggio degli elementi è già usatissimo e senza di esso molti dei dispositivi elettronici che abbiamo oggi neanche funzionerebbero. Tuttavia, il punto è che, nonostante il riempimento dei difetti fosse già una pratica consolidata, in quanto basta operare un assorbimento su un sito specifico per rimpiazzare un atomo in una posizione vuota senza il bisogno di alcun trasportatore, l’asportazione controllata e deterministica di singoli atomi fino a oggi non era mai stata messa a punto in modo così preciso.
Ciò che stupisce in misura ancora maggiore è che Cavallini, Baldoni e Mercuri hanno svolto questa ricerca negli ultimi due anni senza fondi specifici ma utilizzando i tempi di pausa tra un progetto e l’altro e gli strumenti disponibili nei laboratori del CNR. Ora, dopo i primi riconoscimenti ufficiali internazionali, il coordinatore è impegnato nella scrittura di un progetto che punti a raccogliere finanziamenti per continuare, in modo più strutturato e con obiettivi specifici ad approfondire il campo di studi.
Gli impieghi immediati dei droni molecolari sono molteplici in quanto larga parte delle applicazioni dei materiali ad alto contenuto tecnologico non sono legate tanto al materiale stesso quanto ai difetti, che sono quelli che impartiscono proprietà specifiche ai materiali. Cavallini e colleghi vorrebbero ora ingegnerizzare la tecnica in modo da indirizzare i droni in posizioni specifiche, controllate e ordinate, per creare nuovi materiali caratterizzati da una distribuzione di dopanti controllata a livello atomico.
“Addirittura si potrebbe pensare di progettare materiali completamente nuovi per, ad esempio, interfacciarsi con l’Intelligenza Artificiale tramite il machine learning, il che apre il campo a sperimentazioni del tutto inedite che oggi non è neanche semplice immaginare”.
Ma, al di là, degli impieghi futuri, la portata di questo studio potrebbe già essere enorme se, per riprendere gli esempi fatti da Cavallini, si investisse sulla tecnologia dei droni molecolari per applicarla a batterie, solare e idrogeno, che non a caso sono tre dei pilastri del “New Green Deal” europeo.
Ora che lentamente gli Stati si stanno avviando al ritorno alla normalità dopo l’annus horribilis della pandemia del Coronavirus, ci auguriamo che effettivamente delle scoperte come questa possano influenzare la ripartenza secondo un’ottica diversa da quella imperante in passato e che si diano a ricercatori validi come quelli del CNR tutte le possibilità per mettere appunto delle innovazioni di cui sia il pianeta sia l’umanità possano beneficiare.