APPROCCIO TOP-DOWN E APPROCCIO BOTTOM-UP
----------------------------------------------------------
Il processo fotolitografico descritto in precedenza, mediante il quale si realizzano chip e microprocessori, costituisce un esempio di approccio alla fabbricazione di tipo top-down: si parte dall'aggregazione di componenti elettronici alla macroscala (top) per pervenire alla loro "iperminiaturizzazione" (down).
Ciò, in definitiva, ha comportato il successo della moderna microelettronica.
Spesso la natura predilige, a diverse scale di grandezza fino ad arrivare alle grandi strutture dell'Universo, l'approccio opposto, chiamato bottom-up, in cui vari sistemi si organizzano spontaneamente, auto-aggregando (si parla di "Self-Assembly") atomi e molecole e utilizzando diversi processi chimici, in base ai principi di "riconoscimento molecolare", e varie interazioni molecolari (in particolare quelle deboli di Van der Waals tra molecole apolari).
In altre parole, in questi processi spontanei di Self-Assembly, l'entropia del sistema diminuisce: non c'è però alcuna violazione del secondo principio della termodinamica poiché in questo caso il sistema, scambiando energia con l'ambiente esterno, non è isolato.
Esempi di processi di Self-Assembly, in campo biologico, sono la formazione di proteine a partire da catene di amminoacidi (mediante legami peptidici), la struttura "bilayer" (a doppio strato) dei fosfolipidi (con le "teste" polari idrofile, rivolte verso la soluzione acquosa, e le code apolari idrofobe, rivolte verso l'interno della struttura), costituenti fondamentali delle membrane cellulari, le sequenze "complementari" delle basi azotate (l'adenina si accoppia con la timina, la citosina si accoppia con la guanina, attraverso legami a idrogeno) in una molecola di DNA.
Si tratta di processi naturali che sfruttano il principio del "riconoscimento molecolare" e che sono, da un punto di vista nanotecnologico, di enorme importanza per le applicazioni.
Nel settore della biosensoristica e delle analisi biochimiche, i sensori a micro e nano-cantilever hanno suscitato grande interesse nella comunità di ricercatori biomedici, soprattutto per le applicazioni di diagnostica clinica e l'individuazione di marcatori tumorali e di virus.
[ATTACH=full]404543[/ATTACH]
Si utilizza l'effetto piezoresistivo, in base al quale applicando una sollecitazione meccanica si verifica una variazione della resistenza elettrica del materiale; in tal caso, i cantilever (in forma di arrays) forniscono in uscita una tensione proporzionale alla loro deflessione.
I sensori a cantilever vengono anche utilizzati, opportunamente "funzionalizzati" e quindi in grado potenzialmente di rilevare la presenza di biomolecole a livello di pochi attogrammi, nella microscopia AFM (a forza atomica) e in altri settori.
Un'altra tecnica costruttiva alla scala nanometrica riguarda l'auto-assemblaggio di molecole di alcanotioli (o di silani) sul substrato di un metallo nobile, ad esempio l'oro: si tratta dei cosiddetti SAM (Self-Assembled Monolayer), strutture costituite da un singolo strato (monostrato) ordinato di molecole sulla superficie del substrato.
[ATTACH=full]404544[/ATTACH]
Con questa tecnica è possibile costruire virtualmente qualsiasi superficie, basata su qualsiasi tipo di chimica, collocando un substrato d'oro in una soluzione di alcanotioli in etanolo.
Applicazioni di monostrati di alcanotioli riguardano i biomateriali, l'assemblaggio di molecole di DNA, i cosiddetti "micro-array" biologici e l'elettronica biomolecolare.
A proposito dei dispositivi di nano-bioelettronica, può essere utile analizzare i meccanismi alla base di alcune funzioni metaboliche, come ad esempio le reazioni enzimatiche (l'attività degli enzimi è regolata in base a opportuni meccanismi di feedback negativo, secondo il modello cibernetico).
Gli enzimi sono catalizzatori biologici (generalmente sono proteine globulari) e non subiscono modificazioni al termine della reazione in cui sono coinvolti.
La caratteristica fondamentale di un enzima è la sua estrema specificità nei confronti del substrato (la sostanza che deve essere trasformata dall'enzima).
Dal punto di vista delle applicazioni nanotecnologiche, l'importanza dell'attività enzimatica sta nel fatto che l'enzima è in grado di cambiare la propria forma (per "accomodare" i substrati e formare i prodotti) e di conseguenza variare le proprietà di conduzione elettrica.
[ATTACH=full]404545[/ATTACH]
Ponendo un enzima tra due nanoelettrodi, siamo in grado di rilevare la sua attività elettrica e dunque lo svolgersi della reazione enzimatica, ovvero la presenza di reagenti che inibiscono o favoriscono la reazione.
In tal modo è possibile ottenere un sensore molto specifico e addirittura, funzionalizzando opportunamente le biomolecole, consentire l'auto-assemblaggio di "reti" elettroniche basate su un approccio totalmente bottom-up.
Buona lettura ?
