La conoscenza del mondo è strettamente legata ai mezzi che si hanno per studiarlo. L’occhio umano è assai complesso e permette di vedere distintamente oggetti piccoli fino a pochi decimi di millimetro e oggetti molto lontani (come per esempio le stelle).

Gli scienzati hanno costruito apparecchi per superare questi limiti esplorativi, che consentissero cioè di studiare fenomeni su scale di misura molto più grandi e molto più piccole rispetto a quelle accessibili all’occhio umano.

Vedere lontano: il cannochiale e il telescopio

Il cannocchiale è stato il primo strumento che ha consentito lo studio di oggetti e fenomeni a distanze più grandi di quelle apprezzabili a occhio nudo.

Galileo nel 1609 costruì il primo cannocchiale che era basato sull’ottica di due lenti (obiettivo e oculare) e che era in grado di ingrandire fino a 20 volte. I cannocchiali commerciali usati oggi permettono di vedere oggetti lontani con ingrandimenti di 100/200 volte. Per definizione, i cannocchiali vengono usati per le osservazioni terrestri e la loro capacità di ingrandimento è legata alle dimensioni e alla qualità delle lenti usate come obiettivo e come oculare.

Il telescopio è l’analogo del cannocchiale, usato però per le osservazioni astronomiche. Esistono telescopi diottrici, con lenti, e telescopi a riflessione, con specchi. Il telescopio orbitante Hubble, che raggiunge prestazioni circa 100 milioni di volte superiori a quelle del cannocchiale di Galileo.

Entrare nei dettagli della materia: i microscopi

I primi strumenti per lo studio della materia e dei fenomeni fisici sono state le lenti di ingrandimento, già note al tempo dei Romani. La scala caratteristica di questi strumenti è indicativamente il millimetro. Difficilmente si riusciva ad andare oltre prima della scoperta dei primi microscopi ottici, che come dice il nome stesso permisero di raggiungere la scala del micrometro, un miliardesimo di metro.

Il primo microscopio risale al 1674: con questo strumento, Anton Van Leeuwenhoeck, commerciante appassionato di scienze, riuscì a descrivere batteri e cellule. Il microscopio ottico ha rappresentato per almeno due secoli lo strumento fondamentale per lo studio della vita e dei diversi organismi viventi. Un notevole salto in avanti nell’osservazione della materia seguì le scoperte dei primi del Novecento sulla fisica dell’atomo e dei suoi componenti.

La comprensione di vari fenomeni che vedono come protagonisti gli elettroni, per esempio, ha posto le basi per la nascita dei primi microscopi elettronici, come il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) realizzato nel 1931 dagli scienziati Knott e Ruska. Negli stessi anni vennero inventati altri fondamentali strumenti, come il microscopio ottico a contrasto di fase e il microscopio elettronico a scansione (SEM). Più recente è il microscopio a forza atomica (AFM), che arriva addirittura alla scala dell’ångström (10^-10 metri).

Ma l’indagine dell’inifinitamente piccolo non si è fermata qui, e rappresenta ancora oggi una frontiera della scienza. Agli inizi della seconda metà del Novecento il celebre fisico Richard Feynman anticipava la possibilità di esplorare, e addirittura manipolare, i più piccoli componenti della materia, atomi e molecole, grazie all’avanzare delle tecniche di osservazione, oltre che delle conoscenze teoriche. La strada poi intrapresa è stata proprio quella indicata da Feynman.

Gli studiosi Gerd Binnig e Heinrich Rohrer misero a punto il primo microscopio a scansione a effetto tunnel, chiamato STM, che valse loro il premio Nobel per la fisica nel 1986. Il microscopio STM, che si basa su un principio della fisica quantistica, fu il primo a permettere di visualizzare la materia nella scala dei nanometri, corrispondente proprio alle dimensioni degli atomi e delle molecole.

Quasi contemporaneamente, il chimico Richard Smalley, poi premio Nobel della Chimica nel 1996, realizzò una particolare molecola, chiamata fullerene. I fullereni sono molecole a forma di pallone da calcio, composti da un numero superiore o uguale a 60 di atomi di carbonio. Come gabbie molecolari, sono cavi al loro interno con un diametro dell’ordine di decine di nanometri (10^-9 metri). Si sta ancora studiando come le particolari caratteristiche di queste molecole possano essere sfruttate per realizzare nuovi materiali, partendo proprio dalla progettazione su scala atomica e molecolare. Per questo motivo, queste due importanti tappe della scienza moderna vengono considerate gli inizi della nanoscienza e delle nanotecnologie.