Le Nanoscienze rappresentano un ambito di ricerca multidisciplinare in cui ricercatori con competenze diverse (Fisica, Chimica, Biologia) studiano i nuovi e sorprendenti fenomeni che la materia manifesta quando assume dimensioni piccolissime, dell’ordine dei nanometri.
Oltre a contribuire alla ricerca scientifica di base, le Nanoscienze continuano a suscitare notevole interesse poiché, intervenendo sulle caratteristiche microscopiche della materia, offrono la possibilità di modificare e migliorare le proprietà macroscopiche dei materiali stessi. La loro applicazione ha dato origine a un approccio tecnologico innovativo, quello delle Nanotecnologie, in grado di sviluppare nuovi sistemi miniaturizzati (materiali, dispositivi), progettandone direttamente la nanostruttura.
Nell’ambito di questa ricerca di frontiera, l’ateneo trentino ha guadagnato un’ottima visibilità internazionale grazie all’attività scientifica svolta dal Laboratorio di Nanoscienze, attivo dal 2006 presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento. Il laboratorio, coordinato dal professor Lorenzo Pavesi, è composto da 25 ricercatori, per lo più giovani provenienti da varie parti del mondo, laureati in Fisica, Scienze dei materiali, Ingegneria elettronica, Biologia e Chimica.
Gli spazi a disposizione del Laboratorio di Nanoscienze sono stati ampliati di recente e lo scorso 26 febbraio sono stati inaugurati ufficialmente i nuovi laboratori; in quella occasione si è tenuto un workshop scientifico, dal taglio operativo e informale, a cui è intervenuto anche il rettore Davide Bassi.
L’ampio respiro internazionale porta il laboratorio ad essere attivo e dinamico, direttamente coinvolto nella formazione di giovani ricercatori attraverso l’organizzazione di scuole e master professionali. La sua attività riesce a coprire tutta la filiera della ricerca (dal design di materiali e dispositivi innovativi, alla loro realizzazione e caratterizzazione) grazie a numerose collaborazioni scientifiche in atto, sia con le realtà di ricerca presenti sul territorio (in particolare la Fondazione Bruno Kessler), sia con università straniere e aziende leader nel settore delle nanotecnologie.
Attualmente il laboratorio è impegnato in sei progetti scientifici, finanziati principalmente dall’Unione Europea e dalla Provincia autonoma di Trento, che spaziano da ricerche di tipo fondamentale, come le interazioni tra le biomolecole e le nanostrutture o il controllo della dinamica dei fotoni in sistemi dielettrici nanostrutturati, a ricerche di tipo più applicativo come lo sviluppo di circuiti ottici integrati, interruttori ottici, dispositivi elettroluminescenti o amplificatori, celle fotovoltaiche di terza generazione e biosensori.
In particolare, il Laboratorio di Nanoscienze cerca di applicare le nanotecnologie al silicio, per sviluppare nuove applicazioni del materiale principe della microelettronica. Negli ultimi anni si è dedicato anche alla coniugazione del silicio con nuovi materiali, primi fra tutti i polimeri (progetto GOPSI) che, grazie alla notevole flessibilità del loro chimismo e quindi alla facilità di interazione con molecole organiche presenti nell’ambiente, possono trovare largo impiego in applicazioni sensoristiche.
Una delle attività che coinvolge da tempo il Laboratorio di Nanoscienze (progetti WADIMOS e HELIOS) è lo studio di interconnessioni ottiche (fotoniche) da integrare direttamente all’interno dei circuiti elettronici in silicio. I dispositivi elettro-ottici integrati, infatti, sembrano i migliori candidati per rispondere alla richiesta di una sempre maggiore velocità di trasferimento dati nei multiprocessori. Si calcola che, nel prossimo futuro, questa velocità supererà la soglia dei 100 Gbps. Unire circuiti ottici ed elettronici in una piattaforma comune, secondo tecnologie di fabbricazione compatibili con quella già in uso per l’elettronica, è di fondamentale importanza affinché l’optoelettronica si possa sviluppare a livello industriale, migliorando le prestazioni dei dispositivi e riducendone allo stesso tempo le dimensioni e i costi.
I circuiti fotonici integrati possono essere utilizzati in numerose altre applicazioni, tra cui anche la biosensoristica. Nell’ambito del progetto NAOMI, finanziato dalla Provincia autonoma di Trento e in collaborazione con la Fondazione Bruno Kessler, il Laboratorio di Nanoscienze sta studiando lo sviluppo di un chip miniaturizzato per l’analisi di proteine in campioni biologici, basato sull’interazione della luce con le biomolecole. La realizzazione di un simile dispositivo tramite la combinazione di micro e nanotecnologie, avrebbe un impatto significativo per l’implementazione di strumenti di diagnosi compatti, affidabili e a basso costo.
L’interesse scientifico non è rivolto solo ai nano-circuiti fotonici ma anche allo studio del silicio nanostrutturato in altre forme, per esempio in piccoli cristalli ( nanoscristalli di silicio). Queste strutture esibiscono proprietà ottiche peculiari, fortemente dipendenti dalla superficie del nanoscristallo e dalla sua interazione con l’ambiente. Oggetto di studio del Laboratorio di Nanoscienze è per esempio l’impiego dei nanocristalli di silicio come sonde luminescenti all’interno della cellula (progetto CELTIC), in grado di accoppiare l’efficienza di trasporto di biomolecole alla possibilità di localizzare in tempo reale le particelle stesse nell’ambiente intracellulare. Le applicazioni in ambito bio-medico sono le più varie, dal monitoraggio di cellule al biosensing, dai trattamenti terapeutici al gene delivery.
Un altro campo di ricerca in cui è impegnato il Laboratorio di Nanoscienze e che vede oggi come protagonisti i nanocristalli di silicio è quello delle celle fotovoltaiche di terza generazione (progetti HCSC e LIMA). Le nanoparticelle di silicio possono aumentare in modo significativo l’efficienza di conversione della luce solare in elettricità grazie alla loro capacità di produrre più elettroni in risposta all’assorbimento di un singolo fotone. Inoltre, grazie alle loro piccole dimensioni, i nanocristalli di silicio manifestano nuovi effetti quanto - meccanici che consentono di sfruttare anche la parte più energetica dello spettro solare (blu e ultravioletto), che nelle celle fotovoltaiche tradizionali viene irrimediabilmente persa.