miniaturizzazióne
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Lessico
sf. [da miniaturizzare]. Insieme degli studi e delle tecniche di riduzione delle dimensioni di una macchina o di un meccanismo il quale, però, mantiene inalterate le capacità funzionali e operative. Attraverso questa tecnica è stato possibile superare tutti quei problemi che un meccanismo di una certa dimensione determina.
Tecnica: generalità
Nella riduzione delle dimensioni di qualunque congegno meccanico si incontrano problemi di resistenza degli organi, di smaltimento del calore accumulato nel funzionamento e di manutenzione che fissano il giusto compromesso oltre il quale diventa antieconomica e sconsigliabile, se non addirittura impossibile, la miniaturizzazione degli stessi. Più che per realizzare un'economia sui materiali, la miniaturizzazione ha lo scopo di realizzare un risparmio di spazio utilizzabile in altro modo. A volte, come nei veicoli, nei macchinari industriali e negli impianti, la miniaturizzazione di certi gruppi consente di diminuirne al massimo l'ingombro e i pesi con i vantaggi che ne derivano; quando si passa a veicoli aerei o spaziali la miniaturizzazione dei gruppi o degli oggetti trasportati diventa un problema vitale che, se non risolto, può compromettere addirittura l'operatività del veicolo. Nel riproporzionamento degli organi si devono tenere presenti i numeri caratteristici, se definiti, e la teoria dei modelli, affinché il funzionamento della nuova unità sia in similitudine con quella di partenza. Talvolta è impossibile mantenere le stesse prestazioni anche sfruttando al massimo le minori inerzie in gioco, esempio ne sono i micromotori per aeromodelli che, grazie alle limitate dimensioni, agevolmente raggiungono un elevato numero di giri al minuto ma che, anche a questi regimi, danno potenze di solo qualche CV. La riduzione anche di un solo particolare può venir sfruttata vantaggiosamente per ottenere maggiori prestazioni a parità di dimensioni. Si pensi per esempio al microsolco nel campo discografico, ai microfilm nel campo ottico, alle applicazioni nel campo degli apparecchi radio e televisivi (apparecchi portatili), dei libri (manuali, raccolte di poesie, ecc. miniaturizzati) e degli strumenti di misura (multimetri miniaturizzati).
Elettronica
I risultati più eccezionali sono stati raggiunti nel campo dell'elettronica, dove la miniaturizzazione ha permesso di ridurre l'ingombro, il peso e la dissipazione di potenza dei circuiti elettronici; i procedimenti di miniaturizzazione sono stati possibili con lo sviluppo dei dispositivi a semiconduttori e hanno portato prima ai micromoduli e successivamente ai circuiti integrati (microminiaturizzazione), sfociando nella microelettronica. I nuovi componenti elettronici hanno reso possibile da una parte il superamento di problemi di automazione e dall'altra l'offerta in commercio di nuovi prodotti a prezzi relativamente ridotti: per esempio calcolatrici tascabili, microprocessori, personal computer, lettori di compact disc.
Elettronica: miniaturizzazione di microprocessori
Il primo microprocessore della storia, l'Intel 4004 (1971) conteneva l'equivalente di 2300 transistor: all'inizio del XXI secolo i microprocessori più diffusi sul mercato commerciale contenevano milioni di transistor, con una velocità di calcolo di miliardi di istruzioni al secondo. La corsa alla progressiva miniaturizzazione della densità dei microprocessori e della velocità di calcolo, tuttavia, non può durare all'infinito, a causa del limite fisico della velocità di trasferimento degli elettroni lungo le piste dei chips. La ricerca si sviluppa così secondo due parametri: la riduzione delle dimensioni dei microprocessori e l'aumento del numero delle istruzioni eseguite per ogni ciclo di clock, che è la frequenza alla quale il microprocessore opera. Altro limite fisico esistente nella miniaturizzazione dei microprocessori è legato alla tecnica utilizzata per realizzarli. I chips vengono comunemente realizzati con il metodo della fotolitografia: sul chip grezzo si colloca una mascherina che riproduce i circuiti e si toglie poi tutto il resto utilizzando raggi di luce che colpiscono un materiale fotosensibile. Il limite attuale è rappresentato dalla lunghezza d'onda della luce, che non permetterebbe di distinguere due tracce adiacenti, se di dimensioni inferiori. Pertanto, le tracce conduttrici attuali dei chips non possono essere più piccole di 0,18 miniaturizzazione Per superare questo limite è stata sviluppata una tecnica sperimentale che utilizza i raggi X al posto della luce. I raggi X, avendo una lunghezza d'onda inferiore a quella della luce, consentirebbero la realizzazione di circuiti centinaia di volte più piccoli di quelli attuali. Altra tecnica sperimentale è quella basata su chips “tridimensionali” che quindi possono contenere circuiti in grado di svilupparsi su tre dimensioni (e non più su piste planari), a tutto vantaggio della compattezza del dispositivo. Una tecnologia inversa a quella attuale della fotolitografia, basata su “mascherine di luce” attraverso le quali far filtrare fasci di atomi, il cui movimento viene controllato “intrappolandoli” con le onde elettromagnetiche e luminose, potrebbe far scendere al di sotto degli 0,03 µ le dimensioni delle tracce.
Elettronica: dispositivi molecolari
A livello sperimentale, sono stati ottenuti dispositivi elettronici di dimensioni atomiche. Negli USA è stato realizzato un interruttore formato da un solo atomo (Centro IBM di San José), che permette di dare inizio o interrompere un flusso di corrente elettrica muovendo un atomo di gas xeno fra due microscopici elettrodi. Tale interruttore, però, funziona soltanto a temperature prossime allo zero assolutoa ricerca è rivolta a sviluppare un metodo per costruire semiconduttori e circuiti integrati assemblandoli atomo per atomo. La possibilità di muovere ciascun atomo è data dal microscopio a effetto tunnel, che può essere usato per la manipolazione dei singoli atomi a temperatura ambiente.