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mercoledì 25 febbraio 2015

Waldo e la strada verso la miniaturizzazione

Waldo E. Jones sembrava fluttuare nell'aria al centro di una stanza sferica. L'impressione derivava dal fatto che fluttuava davvero nell'aria. La sua casa era inserita in un'orbita libera, con un periodo di poco più di ventiquattro ore.(8)
Waldo abita nello spazio. In orbita intorno alla Terra. Soffre di una malattia che gli impedisce di muoversi sotto l'azione della gravità terrestre. Questo impedimento, come si suol dire, gli ha aguzzato l'ingegno, permettendogli di diventare l'inventore migliore del pianeta. Una delle sue invenzioni sono i waldi, dei sofisticati bracci meccanici, di varie grandezze, che l'inventore riesce a manovrare con grandissima precisione attraverso un'apposita plancia di comando.
Il problema che gli viene sottoposto è apparentemente insolubile: scoprire perché i motori utilizzati sulla Terra non funzionano più così bene e sotto quali condizioni ricominciano a funzionare.
Per portare a termine questo compito, Waldo deve prima affrontare un'altra sfida (il passo in originale):

da Ashley S. (2001). Nanobot Construction Crews, Scientific American, 285 (3) 84-85. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/scientificamerican0901-84 (pdf)
I waldi più piccoli che aveva usato sino ad allora avevano un'estensione palmare di un centimetro circa, ed erano forniti di microonde adatte alle loro dimensioni. Erano troppo grandi per i suoi scopi. Voleva manipolare tessuti nervosi viventi, esaminare l'isolamento e il comportamento in situ.
Usò quei waldi per crearne altri più piccoli.
L'ultimo stadio furono minuscoli boccioli metallici non più larghi di trenta millimetri. Le nervature dei gambi, o avambracci, che fungevano da pseudomuscoli erano quasi invisibili a occhio nudo; d'altronde, Waldo usava sonde ottiche.(8)
Questo passaggio, tratto dal racconto di Robert Heinlein, potrebbe aver avuto una certa importanza nello sviluppo della scienza e della fisica: nonostante non sia chiaramente collegabile, potrebbe aver dato a Richard Feynman lo spunto per la conferenza del 1959 che si considera fondativa della nanotecnologia, la famosa There's plenty of room at the bottom(1).
Tutto inizia con Albert Hibbs, che gli suggerisce l'idea di realizzare macchine relativamente piccole. A quanto pare Hibbs era un appassionato di fantascienza, in particolare proprio un lettore di Heinlein. La supposizione sembra abbastanza certa considerando che Hibbs propose nel 1958 un brevetto per delle mani robotiche da utilizzare nell'esplorazione spaziale, proprio come i waldi di Heinlein!(2). Quindi, anche se in maniera indiretta, i waldi potrebbero aver influenzato gli inizi della nanotecnologia
A tal proposito il passo che ci interessa, citato in Feynman's Path to Nanotech (part 1) è il seguente
Ora arriva la domanda interessante: come possiamo realizzare dei meccanismi così piccoli? Lo lascio a voi. Comunque, permettetemi di suggerire una strana possibilità. Come sapete, nelle centrali nucleari ci sono materiali e macchine che non possono essere maneggiate direttamente poiché sono diventati radioattivi. Per svitare dadi e avvitare bulloni e così via, hanno una serie di mani principali e servitori(3), così che operando un insieme di leve qui, si possono controllare le mani lì, e in questo modo si possono girare e così si possono maneggiare le cose piuttosto/abbastanza esattamente/bene.
(...) Ora, voglio costruire un molti dispositivi identici - un sistema di padroni-servitori che opera elettricamente. Ma voglio che i servitori siano costruiti con particolare attenzione da moderni meccanici a grande scala(4) così che essi siano a un quarto della scala delle mani che si manovrano normalmente. Così avete uno schema da cui è possibile fare cose a un quarto della scala in ogni caso - i piccoli servo motori con piccole mani lavorano con piccoli dadi e bulloni; trapanano piccoli fori; sono quattro volte più piccoli. Aha! Così costruisco un tornio grande un quarto; costruisco strumenti grandi un quarto; e realizzo, a un quarto di scala, ancora un'altra serie di mani di nuovo a una grandezza relativa di un quarto! Che è una grandezza di un sedicesimo dal mio punto di vista. E dopo aver finito di fare ciò cablo direttamente dal mio sistema a grande scala, attraverso dei trasformatori magari, ai servo motori grandi un sedicesimo. Così posso ora manipolare le mani grandi un sedicesimo.
Bene, avete appreso il principio da qui. E' un programma piuttosto difficile, ma non è impossibile.(5)
Alla fine della conferenza, Feynman propose due premi di mille dollari, uno per chi sarebbe stato in grado di miniaturizzare il contenuto di un libro, rendendolo leggibile al microscopio elettronico, e un altro, sempre di mille dollari, per chi sarebbe riuscito a realizzare un motore elettrico funzionante, non più grandi di un cubo del lato di 1/64 di pollice (circa 0.4 millimetri).
Il primo premio venne vinto dopo appena un anno dalla conferenza da William McLellan con un motore elettrico perfettamente funzionante. Il giorno dell'incontro tra Feynman e McLellan fu, per il fisico, una specie di scoperta per gradi fino all'effettivo funzionamento del motore. Come ricorda lo stesso McLellan, Feynman rimase deluso perché non vennero impiegate delle tecniche realmente nuove per la realizzazione di questo primo micro-motore:
Il ragazzo avrebbe potuto dire e scrivere "Sto andando verso la miniaturizzazione". Così ispirò la gente, anche se non ha prodotto ciò che voleva Feynman, il risultato spinse chiunque ad interessarsi a esso. Ha certo suscitato interesse, così penso che sia stata una buona cosa.
Il secondo premio lo vinse, invece, Tom Newman nel 1985 con la miniaturizzazione della prima pagina del Racconto di due città di Charles Dickens sulla testa di una spilla.
E' molto interessante osservare come uno dei risultati di questa "corsa alla miniaturizzazione" ispirata da Feynman è la realizzazione di un nano-fiore, in questo caso una piccolissima rosa inorganica dell'ordine di un paio di micrometri. La realizzazione della rosa, però, non aveva un semplice intento artistico, ma voleva essere una dimostrazione sulle possibilità della tecnica di nano-scultura usata per la realizzazione di nano-strutture da utilizzare in biosensori, per strumenti bioanalitici, per il biocarburante o nella biocatalisi industriale(7).
Nonostante tutto, però, come ricorda Richard Smalley, non c'è poi così tanto spazio lì sotto. Secondo la sua analisi, infatti, nella corsa alla miniaturizzazione si arriverà al punto in cui le nano-mani robotiche sarebbero troppo grandi per operare in uno spazio troppo piccolo per contenere tutte le loro dita. A questo si dovrebbe aggiungere anche un secondo effetto: gli atomi da manipolare resterebbero inevitabilmente appiccicati alle dita delle mani, rendendole quindi troppo... appiccicose(6)!
Torniamo, però, al problema di Waldo: la soluzione che propone ai rappresentanti del governo sembra in stile new age, con gli esseri umani che in qualche modo riescono a governare gli effetti quantistici dell'universo. In effetti si potrebbe affermare che l'idea di Waldo sia un compromesso tra l'effetto quantistico di Zenone, dove l'osservazione continua di un fenomeno quantistico ne inibisce l'evoluzione (ad esempio i motori quantistici utilizzati nel racconto non funzionano più), e l'esistenza degli invarianti adiabatici, in cui chi opera i cambiamenti di un sistema non deve in alcun modo essere a conoscenza dello stato del sistema stesso. E in un certo senso Waldo opera proprio in questo modo: tiene per se il segreto della soluzione, e questa, in effetti, funziona!
Il geniale scienziato riesce, infine, a costruire uno strumento in grado di estrarre energia da un universo adiacente, detto l'Altro Spazio, probabilmente un universo costituito da sola energia che può fungere da serbatoio per il nostro universo. Sembrerebbe una classica soluzione in bilico tra scienza e magia (a meno fino a che qualcuno non inizi a giocarci seriamente!), che però è coerente con il personaggio di Jack Parsons, uno dei fondatori del Jet Propulsion Laboratory, e pioniere delle ricerche statunitensi sui razzi. Parsons, che nel 1942 conobbe e divenne amico di Heinlein, si interessò anche di magia e di personaggi particolari come l'occultista britannico Aleister Crowley o lo scrittore di fantascienza L. Ron Howard, fondatore del movimento pseudo-religioso di scientology.
Se tutto ciò serve semplicemente per dare un po' di colore alla vicenda, ciò non toglie nulla alla scorrevolezza e all'interesse suscitato dall'ennesima prova d'autore di una mente curiosa come fu quella di Robert Heinlein.
Jim. E' terribilmente difficile capire cosa si aspetti la gente. Non esistono schemi fissi. I rutti, per esempio. Io non sapevo che è proibito ruttare in presenza di altri. A me sembra un'ovvia necessità. Ma zio Gus dice di no.(8)

Il racconto Waldo è uscito su Urania #1596, dove viene anche pubblicato Anonima stregoni, ambientato in un mondo dove a farla da padrone sono le leggi della magia.
Leggi anche:
Nanotechnology: on the edge of a new frontier di Julia Schwartz
Una piccola storia dell'elettricità (in spagnolo)
Shamans of small di Graham P. Collins (sulla nano-letteratura)

(1) Datata 29 dicembre 1959, venne successivamente pubblicata su Caltech Engineering and Science, Volume 23:5 del febbraio 1960. Una sua versione editata apparve a novembre 1960 su Popular Science e può essere letta su Modern Mechanix, dove potete trovare sia il testo sia la versione scannerizzata dell'articolo pubblicato. In Italia una sua traduzione la si può trovare sul volume dell'Adelphi, Il piacere della scoperta
(2) Ad essere pignoli, ho cercato questa patente, ma non solo non l'ho trovata, ma non sono nemmeno riuscito a trovare alcuna patente associata con Hibbs. Qualcosa di simile ai waldi, però, sempre nel 1958, è stato brevettato da Harvey Chapman jr.
(3) In originale Feynman utilizza i termini master e slave come aggettivi
(4) Con modern large-scale machinists Feynman intende che i meccanici da utilizzare sono a grandezza umana!
(5) There's plenty of room at the bottom, Caltech Engineering and Science, Volume 23:5
(6) Smalley R.E. (2001). Of Chemistry, Love and Nanobots, Scientific American, 285 (3) 76-77. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/scientificamerican0901-76 (pdf)
(7) Ge J., Lei J. & Zare R.N. (2012). Protein–inorganic hybrid nanoflowers, Nature Nanotechnology, 7 (7) 428-432. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2012.80 (pdf)
(8) Traduzione di Vittorio Curtoni

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