Il nuovo anno si apre con alcune entusiasmanti prospettive nel settore delle nanoscienze e nanotecnologie, il settore che si occupa di comprendere il comportamento della materia su scala nanometrica (un nanometro è un miliardesimo di metro) e che sfrutta queste conoscenze per realizzare dispositivi super-miniaturizzati per le più disparate applicazioni tecnologiche. Ormai le tecniche di manipolazione della materia ci permettono di manipolare porzioni di materia composte da una manciata di atomi e in alcuni casi anche di singoli atomi. A questo si aggiungono le continue scoperte di nuovi materiali. Vediamo dunque quali settori promettono di più.

Nel campo dei materiali il 2012 potrebbe essere l’anno della consacrazione degli isolanti topologici, una nuova classe di materiali bidimensionali o anche tridimensionali basati per lo più su elementi come il Bismuto (Bi), l’Antimonio (Sb), il Selenio (Se), ed il Tellurio (Te) in cui la conduzione avviene al bordo (nel caso bidimensionale) o alla superficie (nel caso di cristalli tridimensionali) mentre l’interno del materiale mostra caratteristiche di isolante. L’effetto è simile a quello del celebrato effetto Hall quantistico ma avviene in assenza di campi magnetici quantizzanti e le proprietà di conduzione dipendono fortemente dallo spin dell’elettrone. Una delle cose notevoli che è stata recentemente evidenziata da un punto di vista teorico è che in opportune condizioni un isolante topologico attaccato ad un superconduttore può ospitare sotto forma di eccitazioni delle “quasiparticelle” conosciute come fermioni di Majorana. Se osservate, queste eccitazioni potrebbero offrire nuove possibilità alla computazione quantistica.

Sempre nel campo della fisica fondamentale nel settore delle nanoscienze l’anno si apre con nuove entusiasmanti possibilità nel campo della simulazione quantistica con reticoli artificiali. La simulazione quantistica fu concepita da Richard Feynman in risposta alla impossibilità di descrivere un fenomeno quantistico con un computer classico. Seguendo l’intuizione di Feynman ad oggi sono disponibili simulatori quantistici realizzati attraverso la costruzione di reticoli ottici che intrappolano atomi freddi o di matrici di punti quantici nanofabbricati in semiconduttori che intrappolano elettroni. Le novità maggiori riguardano la possibilità di creare reticoli a geometria esagonale che sono in grado di simulare fasi a molte particelle con inusuali proprietà magnetiche e, riproducendo artificialmente la struttura del grafene, ne possono comprendere alcune proprietà esotiche.

Proprio il grafene sta offrendo alcune innovative soluzioni tecnologiche nel campo della fotonica e in particolare nel campo della rivelazione di radiazione elettromagnetica. Recentemente sono stati realizzati dei fotorivelatori ultraveloci al grafene con ottime prestazioni alla lunghezza d’onda di 1.55micron, quella utilizzata per la trasmissione ottica dei dati. Passi significativi sono stati fatti nella direzione di utilizzare il grafene per la rivelazione di radiazione nel lontano infrarosso (a frequenze del TeraHertz) e i primi rivelatori TeraHertz al grafene sono stati recentemente dimostrati. Potrebbero trovare impiego nella rivelazione di sostanze nocive e esplosivi in borse e indumenti ma anche nelk monitoraggio dell’inquinamento atmosferico.

L’anno appena concluso, infine, è stato segnato dal crescente interesse verso le tecnologie fotovoltaiche e per l’impiego di materiali nanostrutturati nella costruzione di celle fotovoltaiche innovative o di terza generazione, in particolare per quanto riguarda le celle solari che sfruttano l’assorbimento della luce da parte di molecole organiche (dette molecole Dye). Utilizzare materiale nanostrutturato, o addirittura grafene, è un fattore chiave per migliorare i processi di diffusione e collezione delle cariche elettriche, che hanno un ruolo cruciale nel determinare l’efficienza della cella solare. Altri fattori su cui si concentra l’attività di ricerca è la composizione dell’elettrolita in cui sono immerse le molecole e l’ottimizzazione delle proprietà di assorbimento delle molecole che devono essere a larga banda per essere in grado di catturare la luce del sole che non è monocromatica ma si dispone in un intervallo ampio di frequenze.

Infine i transistor hanno raggiunto le dimensioni di un singolo atomo. I transistor ad effetto campo o FET sono caratterizzati da una regione detta gate che viene controllata tramite un voltaggio esterno, un effetto che permette di pilotare la corrente che passa attraverso il dispositivo. Adesso è possibile realizzare regioni di gate large poche decine di nanometri ed inserire al loro interno un singolo atomo (per esempio fosforo in transistor al silicio) così che sia proprio l’atomo a pilotare la corrente del dispositivo.

Ma, probabilmente, la più importante e eclatante prospettiva tecnologica e di ricerca del 2012 non è ancora nota. E’ nascosta da qualche parte e da un qualche sottile velo della natura. Aspetta di essere svelata.

Per caso o per un guizzo dell’intelletto umano.