NEMS: Il futuro dei sistemi microelettromeccanici

Nel mercato elettronico dei MEMS ( Micro Electro-Mechanical Systems ) si stanno affacciando i NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) che sono costruttivamente molto simili ai precedenti, ma al contrario dei primi hanno dimensioni nanometriche.
Le grandezze fisiche tipiche della scala molecolare saranno rivoluzionate da questi nuovi prodotti della nanotecnologia, attualmente le principali sfide tecnologiche dei NEMS possono essere focalizzate nell’interconnessione fra gli stessi dispositivi ed il mondo esterno (a macroscala), nella comprensione ed il controllo dei meccanismi che regolano il comportamento delle nanostrutture, e nello sviluppo di tecniche per la produzione industriale.
Questi dispositivi sono fatti da elementi elettromeccanici che hanno dimensioni strutturali su scala submicrometrica, quindi possono essere interessanti per applicazioni in cui le strutture di massa molto piccola sono essenziali per il funzionamento come i sensori di forza, i sensori chimici e biologici, i risonatori a frequenza elevatissima.
I NEMS hanno seguito un percorso di sviluppo simile a quello dei MEMS, infatti, entrambe le tecnologie hanno fatto riferimento a tecniche di processo esistenti.
Per esempio, le tecniche di litografia a fascio elettronico usate nella fabbricazione top down dei NEMS sono uguali alle procedure standard che caratterizzano la fabbricazione dei circuiti integrati nanometrici, infatti, i materiali usati in molti dispositivi NEMS di prima generazione (Si, GaAs, Si3N4, SiC) sono gli stessi che sono stati utilizzati prima nei circuiti integrati e poi nei MEMS.
Come i primi dispositivi MEMS, la prima generazione di strutture NEMS consiste di elementi nanomeccanici quali travi e piatti realizzati usando processi semplici di bulk nanomachining e surface nanomachining.
La fabbricazione di strutture NEMS oltre al silicio comprende i composti III-V come l’arseniuro di gallio, materiali interessanti per la loro fabbricazione perché film sottili epitassiali di GaAs possono essere cresciuti su particolari materiali usati come strati sacrificali.
La tecnologia NEMS è ancora nella sua fase iniziale di sviluppo, ed in tempi brevi dovrà vincere le sfide tecnologiche relative alla fabbricazione ed al packaging introducendo soluzioni innovative prima che questi dispositivi abbiano un significativo impatto commerciale.
Per raggiungere risultati così ambiziosi e guidare lo sviluppo del nanoassemblaggio sarà necessario sviluppare un nuovo insieme di strumenti e competenze, tenendo presente che la guida in questo percorso dovrà essere la natura stessa, che da miliardi di anni costruisce dal basso le sue opere.
I processi di fabbricazione possono essere suddivisi nei due approcci usati per creare le strutture nanometriche: quella “ top down” dall’alto verso il basso, in altre parole la riduzione del dispositivo fino a livelli nanometrici, e quella “bottom up” dal basso verso l’alto, ovvero l’assemblaggio di molecole o aggregati di molecole per realizzare opportune nanostrutture.
Facendo un semplice esempio, immaginiamo di costruire un modellino di casa, con le tecniche “ top down” si ricava la casa a colpi di scalpello da un ipotetico grande ed unico mattone, mentre la tecnica “bottom up” è assimilabile all’unione di singoli mattoncini (le molecole) che opportunamente aggregati originano l’oggetto voluto, in questo caso il modellino di casa.

Microprocessori dalla Cina con furore

I primi computer super-economici interamente progettati ed assemblati in Cina sono già sul mercato dei pc e saranno equipaggiati con la CPU Godson, meglio conosciuta come "Dragon Chip".
I Godson sono microprocessori attualmente progettati e sviluppati dall'Istituto delle tecnologie di calcolo dell'Accademia delle scienze cinese, e dopo quattro generazioni, grazie ad un accordo con l'azienda franco-italiana STMicroelectronics saranno utilizzati all'interno dei portatili di molte aziende interessate al loro basso costo.
Questi microprocessori nonostante siano costruiti con una tecnologia più vecchia dell’attuale processo usato dalla Intel, nelle future versioni potrebbero arrivare ad 8 core.
Nell’immediato futuro i microprocessori Godson, a differenza dei precedenti che non sono compatibili x86, diventeranno compatibili con il mondo Intel, poiché nelle ultime versioni i ricercatori cinesi hanno inserito un nuovo set di 200 istruzioni.
In questo modo il chip cinese avrà performance che raggiungerà l’80 per cento di un originale Intel, con la conseguenza che il governo cinese si posizionerà al seguito di un mercato low-end, cambiandone radicalmente gli equilibri e gli assetti attuali.
Secondo le specifiche tecniche le prestazioni di un Godson-2 a 500MHz sono paragonabili a quelle di un Pentium 3 di Intel.
Questi elaboratori saranno venduti ad un prezzo compreso tra i 150 ed i 175 dollari, ogni computer sarà dotato di sistema operativo Linux, avrà 256MB di RAM DDR, disco rigido da 40 o 60GB ed un processore a 64 bit Godson-2, disponibile anche nella versione da 800MHz oppure 1GHz.
Il maggior numero di processori Godson è stato destinato al mercato interno della grande Repubblica Popolare, ma in futuro una crescita esponenziale delle esportazioni, in perfetto stile cinese, potrebbe causare notevoli attriti economici tra il colosso asiatico e le multinazionali occidentali dell’informatica.

Spettacolarizzare le nanotecnologie può essere controproducente

Nel 2006, un sondaggio statistico ha rivelato che il 40% degli europei pensava che le nanotecnologie avrebbero migliorato la loro vita entro i successivi 20 anni; il 13%, invece, pensava che queste innovazioni non avrebbero avuto effetti, il 5% pensava che avrebbero reso più difettoso il prodotto industriale mentre il 42% era indifferente al problema.
Affinché non si ripetano i fatti accaduti con i prodotti transgenici è importante capire con chi si schiererà in futuro quel 42% di indifferenti. La posta in gioco è molto alta perché si corre il rischio che in futuro ci siano numerose richieste di moratoria dovute alla percezione pubblica di una inaffidabilità del prodotto nanotecnologico.
L'associazione canadese ETC già ha chiesto una moratoria per i prodotti nano, mentre Greenpeace chiede più studi sugli effetti delle nanoparticelle.
L'allarme sulla sicurezza nanotecnologica è partito dalla Germania da un prodotto commerciale denominato Magic Nano, che ha usato il termine di nano nella relativa promozione. Da uno studio di mercato si è evidenziato che più di 100 utenti che hanno utilizzato questo prodotto commerciale come aerosol, hanno manifestato nausee, emicranie, dolori al petto e problemi respiratori, di conseguenza questi prodotti sono stati ritirati del mercato causando un ingiustificato danno di immagine alla crescente industria del nanotech.
Infatti, Magic Nano non conteneva alcun tipo di nanoparticella.
Vediamo più da vicino questo episodio di sicurezza sulle nanotecnologie, come detto nel marzo del 2006, un prodotto per le pulizie che prometteva di proteggere i bagni dalla proliferazione batterica fu messo in vendita in Germania.
Battezzato Magic Nano, il prodotto ha ottenuto un immediato successo, ma appena tre giorni dopo la sua messa in commercio, è stato ritirato a causa dei numerosissimi reclami. Il giornale The Economist, insieme ad altre testate giornalistiche, affermava che Magic Nano causava problemi respiratori obbligando, nei casi più gravi, alcuni consumatori al ricovero in ospedale.
E’ stato attraverso questo spiacevole episodio che la nanotecnologia si è presentata al grande pubblico tedesco, determinando inizialmente una forte aspettativa e in seguito una grande apprensione. Molte persone hanno associato il problema specifico del Magic Nano ai rischi inerenti la nanotecnologia, perché in questo caso la caratterizzazione di questa nuova tecnologia è avvenuta in modo spettacolare e superficiale, mediata in gran parte da strategie di tipo pubblicitario e non da un dibattito pubblico su autorevoli basi tecnico scientifiche.
In ogni caso le informazioni fornite dalle Nazioni Unite, dalla Royal Britannic Society e dalla UE permettono di asserire che la conoscenza su gli effetti che hanno le nanostrutture sulla salute umana e sull'ambiente è in forte evoluzione, poiché molti sono gli studi da approfondire e divulgare.

Le nanotecnologie nel settore della “motion capture”

La Motion Capture è una tecnica innovativa di animazione digitale, che permette di applicare a soggetti virtuali i movimenti di persone o animali ripresi in tempo reale, riproducendoli istantaneamente sullo schermo tramite appositi sensori, che sono inseriti sia nei punti di giuntura delle ossa che nelle zone di contrazione dei muscoli.
Gli strumenti attualmente in uso per l’analisi del movimento, di tipo stereofotogrammetrico, magnetico o elettromeccanico, forniscono risultati molto precisi, ma devono essere usati in locali speciali, che sono vincolanti per il soggetto in esame.
Queste tecnologie possono anche fare uso di piccoli LED attaccati in punti chiave sul busto, sugli arti e sulla testa di una persona, ed attraverso i movimenti di questi punti che sono catturati da una serie di telecamere, si può creare uno scheletro virtuale del soggetto, che in seguito potrà guidare i movimenti rielaborati al computer.
Per superare questi problemi sono stati progettati dei “sensing garments” mediante l’integrazione di sensori basati su di un elastomero conduttore con un tessuto elastico. Dato che questi sensori hanno proprietà piezoresistive, la deformazione del tessuto può essere correlata ad una variazione della resistenza elettrica del sensore.
La realizzazione di questi nuovi dispositivi indossabili basati su tessuti elettronici, utili nel campo della “motion capture” sfrutterà la tecnologia MEMS composta da giroscopi, accelerometri, emettitori di ultrasuoni e microfoni, realizzando un sistema economico ed affidabile per la rilevazione dei movimenti del corpo umano.
Tutto questo può rappresentare una sorta di evoluzione delle attuali tecniche di motion capture, utilizzate normalmente in ambito cinematografico e videoludico, per la creazione di modelli grafici tridimensionali in grado di imitare le movenze umane.
Il monitoraggio dei parametri legati ai movimenti umani trova molteplici applicazioni sia in campo medico come nella diagnostica e nella riabilitazione, che nelle applicazioni di computer animation e nei videogames.
In particolare nel settore della “motion capture” il guanto, usato per la riproduzione in ambiente virtuale dei movimenti della mano, è uno dei device più critici dal punto di vista realizzativi, ma nello stesso tempo è uno dei più interessanti in termini di opportunità nel mercato hi-tech.
Per questo motivo sono molte le aziende nanotech che si impegnano nel centrare l’obiettivo della progettazione di un device affidabile e dai costi contenuti.
In questo settore uno dei centri di ricerca di maggior prestigio si trova presso l’Università di Pisa che attraverso il Centro Interdipartimentale E. Piaggio, sviluppa da tempo interfacce tattili e cinestetiche in grado di analizzare, codificare e replicare in ambiente virtuale i movimenti umani.
Lo sviluppo di un tessuto nanotech del guanto che porterà vantaggi in termini di costo, adattamento ai movimenti, vestibilità, leggerezza e comfort, la progettazione di sensori e connessioni del guanto, la costruzione di un adeguato sistema di trasmissione dei segnali dal device al PC sono le principali innovazioni proposte da queste ricerche tecnologiche.
Per quanto detto un ruolo fondamentale in questa tipologia di prodotti è interpretato senz’altro dall’elettronica ma, ancor più, dai tessuti che li costituiscono e ne determinano le caratteristiche sia fisiche che ergonomiche.

Babbo Natale porterà regali nanotech

L’informatica, l’elettronica e le telecomunicazioni caratterizzeranno, nonostante il perdurare della crisi economica, i regali di questo Natale 2009 con le ultimissime novità tecnologiche che sono sempre più nanotech.
Gli schermi piatti dell’ultima generazione di televisori, i navigatori stradali a schermi oled, i notebook, i videogiochi, i telefonini e le macchine fotografiche digitali sono solo alcuni esempi delle nanotecnologie che avanzano, anche nel quotidiano delle feste natalizie.
Dai telefoni cellulari alle macchine fotografiche e le videocamere digitali, dai riproduttori di musica ai palmari, dagli smart phone, che concentrano tutte le funzioni multimediali in un singolo apparecchio, per finire ai notebook, la domanda di memoria non-volatile è aumentata esponenzialmente, sia per la crescente capacità di memoria contenuta nei sistemi, sia per l’incremento di volume e capacità dei dispositivi di memoria come le carte di memoria e le chiavette USB, utilizzati per immagazzinare e trasferire dati.
Già da novembre l'azienda sudcoreana Lg Electronics ha annunciato che saranno distribuiti, e quindi disponibili sul mercato, gli schermi Am-Oled per televisori.
Questo annuncio produttivo, fatto alla vigilia del Natale 2009, determina la decisione strategica di estendere al mercato delle televisioni la tecnologia Oled, caratterizzata da migliori prestazioni, da una resa più alta di qualità d'immagine, da consumi inferiori e dimensioni più sottili, che renderanno tecnologicamente superati gli attuali schermi a cristalli liquidi Lcd.
Sul mercato potremmo trovare modelli di notebook equipaggiati con le ormai note fuel-cell, batterie funzionanti con liquido combustibile, quale il metanolo, che promettono più autonomia e più rispetto per l'ambiente.
Nella telefonia mobile, grazie ad una elettronica sempre più integrata, i telefonini devono avere, oltre le tradizionali funzionalità multimediali, come quelle che riguardano la possibilità di scattare foto o ascoltare musica, la capacità di ricreare un’esperienza web simile a quella del mondo pc, permettere di consultare la posta elettronica, aggiornare i blog a distanza, localizzare gli utenti e condurli a destinazione.
In quest’ottica, la tecnologia touch-screen diventa l’elemento centrale sul quale costruire un nuovo rapporto fra utente e dispositivo elettronico.
Nokia nel 2008 ha fatto sapere di avere in cantiere un prototipo basato sulle nanotecnologie che potrebbe rivoluzionare il concetto stesso di telefonino. Il concept-phone progettato dal Centro di Ricerca della società finlandese in collaborazione con l’Università di Cambridge, utilizzando la scienza dell’infinitamente piccolo, tenta di portare avanti un’idea di dispositivo elettronico totalmente innovativa, un congegno realizzato con componenti elettronici trasparenti e superfici autopulenti che renderà ancora più affascinati i regali delle future feste natalizie.
Per quanto riguarda i videogiochi non poteva mancare sul mercato un controller capace di regalare la sensazione di giocare con un vero flipper, a questo ci ha pensato Nanotech Entertainment con un accessorio per computer completo di tasti laterali e cursore a molla per lanciare la pallina.
Quindi per registrare e leggere velocemente le informazioni i regali obbligatori sono le memorie flash di cellulari, i lettori Mp3, le macchine fotografiche e le memory card.
Infine, arriveranno con Babbo Natale orsetti di peluche che incorporano nanoparticelle d'argento per combattere batteri ed acari, ma anche asciugamani e calzini di cotone formati da miliardi di particelle d'argento per fare in modo che non emanino cattivi odori.
Buon Natale a tutti.

“Dieci alla meno nove” partecipa al Carnevale della Fisica divulgando le nanotecnologie

Il Carnevale della Fisica è un’iniziativa ideata dal blog Gravità zero e dal suo omonimo spagnolo, con il patrocinio dell’UAI (Unione Astrofili Italiani).
Questa lodevole iniziativa radunerà il 30 di ogni mese blogger, scienziati e appassionati della materia che si scambieranno articoli, post e segnalazioni.
L’intento di questo incontro in internet è quello di dare maggiore visibilità alle decine di blog e siti scientifici che si annidano nella Rete, per agevolare collaborazioni, “fare della buona scienza” e promuovere la conoscenza della fisica tra i non addetti ai lavori.
Per capire meglio l’evento analizziamo da vicino il blog Gravità Zero che è strutturato come un corporate blog, il cui obiettivo è quello di eliminare la distanza tra chi fa ricerca e il grande pubblico.
Nel suddetto blog gli articoli di approfondimento sulle questioni scientifiche più attuali, si alternano a news di carattere generale e ad articoli di giochi ricreativi e divertenti, rivolgendosi ai ricercatori, agli insegnanti, ai giornalisti e a coloro che svolgono la professione di comunicatore scientifico, dando nelle sue pagine gli spunti e i metodi per "comunicare al meglio le loro ricerche".
Allo stesso modo Dieci alla meno nove, che si propone nella sua mission divulgativa basata nell’essere luogo virtuale dove scambiare idee e news sul mondo delle nanotecnologie, individua con Gravità Zero un comune denominatore nella ricerca di quella visibilità scientifica utile a tutti coloro che ne vogliano usufruire nel nome della cultura e della conoscenza tecnico-scientifica.
E’ interessante verificare la distribuzione geografica delle origini dei contributi recensiti, osservando che il sud di Italia ha inviato solo quattro partecipazioni ( due dalla Sicilia: Palermo e Messina, uno dalla Campania, uno dalla Basilicata ).
Questo dimostra la lunga strada che il sud deve ancora percorrere per annullare il gap di ritardo nella ricerca scientifica e nella sua divulgazione attraverso appropriate reti di comunicazione, rispetto al resto del Paese.
Un ritardo strutturale, già evidenziato nel mondo scolastico con l’indagine OCSE-PISA, molto severa nei confronti degli istituti tecnici e professionali del mezzogiorno.
La speranza che anche attraverso queste efficaci aggregazioni culturali, si sviluppino quelle capacità comunicative, da nord a sud del nostro Paese, per essere sempre più competitivi sia nelle idee che nelle applicazioni scientifiche e tecnologiche che esse propongono.
Ricordo, infine, che il Carnevale della fisica è stato pubblicato oltre che nei prestigiosi portali scientifici, nominati nell’ottimo articolo di Gravità Zero, anche dal portale del distretto tecnologico Veneto Nanotech, che rappresenta un sito di indubbio riferimento nazionale per le nanotecnologie del nostro Paese.

E.N.I.A.C. - gli acronimi a volte ritornano

Per automa di Turing si definisce un insieme di regole che determinano il comportamento di una macchina su un nastro di Input-Output, ovvero di lettura e scrittura. Da quanto esposto, quindi, una macchina di Turing può essere considerata, in grandi linee, come un registratore a nastro che utilizzi una testina di lettura, scrittura e cancellazione. La stessa testina deve avere un indicatore che possa determinare, per ogni passaggio di calcolo, lo stato in cui si trova la macchina mentre sta leggendo il simbolo corrispondente alla cella del nastro sulla quale è posizionata. Il know-how necessario per costruire questo tipo di macchine di calcolo universali che traducevano in realtà la macchina universale di Alan Turing fu raggiunto dall’industria elettronica subito dopo la fine della II guerra mondiale.
In particolare il 16 Febbraio 1946, fu presentato l’Eniac (Electronic Numerical Integrator And Computer), il primo calcolatore elettronico della storia, ponendo in questo modo fine all’epoca dei calcolatori meccanici e introducendo la prima generazione di computer. Per il suo funzionamento servivano ben 18000 valvole termoioniche che a causa dell’elevato calore prodotto dovevano essere sostituite ogni 2 minuti della loro attività.
Questo pantagruelico sistema informatico pesava 30 tonnellate ed era costituito da 42 pannelli posti su tre pareti, la sua memoria poteva contenere 20 numeri di 10 cifre e per le operazioni di input venivano utilizzate le schede perforate, il tutto in 180 metri quadrati di superficie.
Il primo esemplare funzionante di computer era in grado di riconoscere il segno di un numero, poteva confrontare il valore di due o più numeri tra loro, ed aveva la capacità di eseguire le operazioni di addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione e radice quadrata.
In ogni modo, qualche anno prima della costruzione in laboratorio del primo transistor, con l’acronimo ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) si considerava il primo computer elettronico della storia.
Ricordo che la ricerca tecnologica per sostituire le valvole termoioniche con un dispositivo più piccolo, dai costi di produzione più bassi ed energeticamente più efficiente, era iniziata già dagli anni trenta e si concluse nel 1947 con l’invenzione del transistor, che per almeno un decennio fu costruito come singolo componente elettronico usando il semiconduttore germanio.
Così come alla fine degli anni quaranta l'attività dell'ENIAC, era interessata al calcolo delle traiettorie balistiche che questo primitivo computer poteva eseguire in svariate situazioni, trovando le opportune soluzioni numeriche di alcune equazioni differenziali correlate, anche nel primo decennio del nuovo millennio ritorna l’acronimo ENIAC, con un altro significato letterale, valido per diversi obiettivi strategici.
ENIAC, al giorno di oggi, è una sigla che sta per European nanoelectronics initiative advisory council, e rappresenta un tavolo di consultazione attorno al quale si confrontano dodici dei maggiori esperti nei comparti scientifici e finanziari interessati alla nanotecnologia.
Questo tavolo di consultazione ha per obiettivo il prossimo livello di miniaturizzazione richiesto per superare la barriera che separa la microelettronica della nanoelettronica, vista la tendenza di raggruppare un numero crescente di funzioni integrate in semplici prodotti commerciali. Questa tecnologia aprirà nuove prospettive nei settori della comunicazione e dell’informatica, con l’introduzione di MEMS in ogni oggetto di uso comune, nei trasporti attraverso l’elettronica integrata per la guida assistita, consentendo una maggiore autonomia dei veicoli ed un controllo più sicuro ed efficace della circolazione stradale, nella salute grazie a nuovi tipi di cure mediche che rendono più comodi i trattamenti a domicilio e che permettono una diagnosi precoce delle malattie.
Inoltre si avranno importanti vantaggi tecnologici nella gestione energetica e ambientale con la costruzione di edifici intelligenti che controlleranno e ridurranno il loro consumo energetico, nella progettazione di piccoli dispositivi intelligenti messi in rete per monitorare e gestire l’inquinamento e i rischi ambientali, e nel settore della sicurezza e del divertimento.
In altre parole la nanoelettronica dovrà costituire un settore strategico per l'Europa, perché offre ed offrirà nel medio termine la possibilità di creare un numero importante di nuove figure professionali altamente specializzate, creando un impulso alla crescita e alla competitività in molti altri settori industriali.
Questa impresa comune mira a promuovere la collaborazione e il coordinamento di sforzi comunitari e nazionali, pubblici e privati, per sostenere la R&S e gli investimenti, attraverso questa concentrazione di intenti si arriverà ad assicurare un migliore sfruttamento dei risultati, infatti, tra il 2008 e il 2013 oltre la metà dei finanziamenti previsti per la ricerca nel campo della nanoelettronica saranno messi subito a disposizione delle imprese. L’obiettivo finale auspicabile si basa sul fatto che ogni euro investito dall’Unione europea dovrebbe generare quasi 8 euro per la ricerca con un importante ritorno finanziario.
Possiamo evidenziare in conclusione, che alla vigilia di un cambiamento tecnologico, come quello dalle valvole termoioniche al transistor, così come quello dalla microelettronica alla nanoelettronica, a volte gli acronimi ritornano.