IL MERCATO DELLE NANOTECNOLOGIE. LE NANOPARTICELLE, USI E INNOVAZIONE

Il concetto di nanotecnologia è stato originariamente introdotto dal fisico Richard Feynman nel 1959, con la celebre frase "There's Plenty of Room at the Bottom", all'American Physical Society presso il California Institute of Technology. Nella lezione, ha discusso della possibilità di usare gli atomi come particelle da costruzione per creare prodotti nanoscalari. Le idee avanzate da Feynman sono passate inosservate fino al 1974, quando Norio Taniguchi, introdusse la parola "nanotecnologia" alla American Physical Society Meeting. Taniguchi descrisse i processi relativi alla creazione di strutture a semiconduttore usando vari metodi con una precisione nanometrica.

Ha introdotto l'approccio "top-down", che si riferisce al successivo taglio o affettatura di un materiale sfuso per creare nanoparticelle. Nel 1986 Kim Eric Drexler sviluppò l'idea della nanotecnologia e pubblicò un libro intitolato "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology". Nel libro, proponeva l'idea di un assemblatore su nanoscala, noto come nanotecnologia molecolare (MNT). Da questo momento in poi le nanoparticelle prendono piede, ed iniziano diversi studi nei settori più diversi.

Le nanoparticelle si verificano naturalmente attraverso una serie di meccanismi comunemente conosciuti che si verificano in contesti come eruzioni vulcaniche, superfici desertiche e polvere di corpi cosmici. Le eruzioni vulcaniche producono sottoprodotti solidi, liquidi e gassosi, con una grande porzione di particolato sospeso da gas in fuga. Man mano che il gas si raffredda, il particolato viene sospeso all'interno di accumuli e depositi. I deserti producono nanoparticelle in massa.

Le nanoparticelle possono anche trovarsi in prodotti alimentari in modo naturale, come ad esempio nelle micelle di caseina. Il processo di generazione del latte prevede lo sviluppo di molecole di caseina. Durante questo processo, la proteina caseina assume la struttura micellare su scala nanometrica. Le nanoparticelle sono state trovate anche in alimenti che contengono grassi solidi, con prodotti alimentari tra cui cioccolato, margarina e lardo che hanno piastrine su scala nanometrica.

L'esposizione alle nanoparticelle non è quindi uno scenario derivato esclusivamente dall'ingegnerizzazione umana, ma può essere esercitata anche attraverso fonti natuali e all'interno dell'atmosfera.

L'analisi del mercato delle nanotecnologie è studiata per tipo, applicazione e regione. In base al tipo, il mercato è suddiviso in nanodispositivi e nanosensori. I nanodispositivi sono suddivisi in nanomanipolatori, strumenti di test nanomeccanici, spettrometri a infrarossi su nanoscala e altri devices. Il nanosensore è suddiviso in nanosensore ottico, nanosensore biologico, nanosensore chimico, nanosensore fisico ecc.

Le nanoparticelle possono essere classificate in diversi tipi in base alle dimensioni, alla morfologia, alle proprietà fisiche e chimiche. Alcune sono nanoparticelle a base di carbonio, nanoparticelle ceramiche, nanoparticelle metalliche, nanoparticelle a semiconduttore, nanoparticelle polimeriche e nanoparticelle a base lipidica.

NANOPARTICELLE A BASE DI CARBONIO

Le nanoparticelle a base di carbonio includono due materiali principali: nanotubi di carbonio (CNT) e fullereni. I CNT non sono altro che fogli di grafene arrotolati in un tubo. Questi materiali sono utilizzati principalmente per il rinforzo strutturale in quanto sono 100 volte più resistenti dell'acciaio.

I CNT possono essere classificati in nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) e nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT). I CNT sono unici in un certo senso in quanto sono termicamente conduttivi lungo la lunghezza e non conduttivi attraverso il tubo.

I fullereni sono gli allotropi del carbonio con una struttura a gabbia cava di sessanta o più atomi di carbonio. La struttura del C-60 si chiama Buckminsterfullerene. Le unità di carbonio in queste strutture hanno una disposizione pentagonale ed esagonale. Questi hanno applicazioni commerciali a causa della loro conduttività elettrica, struttura, elevata resistenza e affinità elettronica.

NANOPARTICELLE CERAMICHE

Le nanoparticelle ceramiche sono solidi inorganici costituiti da ossidi, carburi, carbonati e fosfati. Queste nanoparticelle hanno un'alta resistenza al calore e inerzia chimica. Hanno applicazioni in fotocatalisi, fotodegradazione di coloranti, somministrazione di farmaci e imaging.

Controllando alcune delle caratteristiche delle nanoparticelle ceramiche come dimensioni, area superficiale, porosità, rapporto superficie-volume, ecc., Si comportano come un buon agente di rilascio di farmaci. Queste nanoparticelle sono state utilizzate efficacemente come sistema di rilascio di farmaci per una serie di malattie come infezioni batteriche, glaucoma, cancro, ecc.

NANOPARTICELLE METALLICHE

Le nanoparticelle metalliche sono preparate da precursori metallici. Queste nanoparticelle possono essere sintetizzate con metodi chimici, elettrochimici o fotochimici. Nei metodi chimici, le nanoparticelle metalliche sono ottenute riducendo i precursori di ioni metallici in soluzione mediante agenti riducenti chimici. Questi hanno la capacità di assorbire piccole molecole e hanno un'elevata energia superficiale.

Queste nanoparticelle hanno applicazioni in aree di ricerca, rilevamento e imaging di biomolecole e in applicazioni ambientali e bioanalitiche. Ad esempio, le nanoparticelle d'oro vengono utilizzate per ricoprire il campione prima dell'analisi in SEM. Questo di solito viene fatto per migliorare il flusso elettronico, che aiuta a ottenere immagini SEM di alta qualità.

NANOPARTICELLE A SEMICONDUTTORE

Le nanoparticelle a semiconduttore hanno proprietà simili a quelle dei metalli e dei non metalli.  Sono utilizzati in fotocatalisi, dispositivi elettronici, foto-ottica e applicazioni di scissione dell'acqua. Alcuni esempi di nanoparticelle di semiconduttori sono GaN, GaP, InP, InAs del gruppo III-V, ZnO, ZnS, CdS, CdSe, CdTe sono semiconduttori II-VI e silicio e germanio appartengono al gruppo IV.

NANOPARTICELLE POLIMERICHE

Le nanoparticelle polimeriche sono nanoparticelle a base organica. A seconda del metodo di preparazione, questi hanno strutture a forma di nanocapsulari o nanosfere. Una particella di nanosfera ha una struttura a matrice mentre la particella nanocapsulare ha una morfologia core-shell. Nel primo, i composti attivi e il polimero sono uniformemente dispersi mentre nel secondo i composti attivi sono confinati e circondati da un guscio polimerico.

NANOPARTICELLE A BASE LIPIDICA

Le nanoparticelle lipidiche sono generalmente di forma sferica con un diametro che varia da 10 a 100 nm. Sono costituite da un nucleo solido costituito da lipidi e una matrice contenente molecole lipofiliche solubili. Il nucleo esterno di queste nanoparticelle è stabilizzato da tensioattivi ed emulsionanti. Queste nanoparticelle hanno applicazione nel campo biomedico come vettore di farmaci e rilascio di RNA.

Il campo della nanotecnologia ha un modello di crescita esponenziale. Fondamentalmente, oggi è allo stesso stadio della tecnologia dell'informazione negli anni '60 e della biotecnologia negli anni '80. Si può facilmente desumere il livello con cui queste nuove tecnologie si espanderanno e prenderanno piede in ogni settore.

Un nanosistema è composto non solo da nanodispositivi ma anche da fonti di nanopotenza (nanobatterie). Affinché qualsiasi sistema sia autosufficiente, deve sfruttare la sua energia e quella dell'ambiente circostante e conservare questa energia in modo ponderato. I ricercatori che lavorano nel campo della nanotecnologia mirano a progettare nanosistemi autoalimentati che presentano dimensioni ultra-ridotte, super sensibili, multifunzionali e dai consumi estremamente bassi. Questi sistemi saranno applicabili nel rilevamento, nella scienza medica, nella tecnologia di difesa e nell'elettronica personale.

Varie compagnie che operano a livello globale in questo momento stanno investendo nel mercato delle nanotecnologie e nelle sue diverse applicazioni emergenti. Ad esempio, nel 2018, i ricercatori guidati dall'Università di Osaka, in un progetto di ricerca congiunto con l'Università di Tokyo, l'Università di Kyoto e l'Università di Waseda, hanno costruito chip chiamati gene-nanochips.

L'espressione genica è un elemento fondamentale della vita, in cui ogni cellula attiva e disattiva geni specifici. Pertanto, un dispositivo autonomo in grado di controllare la commutazione on-off avrebbe un grande valore nelle cure mediche.

I circuiti genetici sintetici, tra cui i  gene-nanochips, sono una tecnologia per controllare l'espressione genica e programmare le cellule per eseguire specifiche funzioni. Aumentando la complessita' di questi componenti  permetterà di controllare i destini delle cellule in modo accurato e selettivo.