Archivio mensile:marzo 2013

I Nanotubi di Carbonio cosa sono? E cosa rappresentano per il futuro?

Ho sempre pensato che la più grande fortuna nell’essere uno Scienziato dei Materiali fosse quella di entrare in contatto con realtà tecnologiche che gli altri studenti, anche di importanti corsi di laurea, possono solo immaginare.
Uno degli argomenti che mi è sempre stato a cuore, e che non per caso ho scelto come argomento per la mia tesi di laurea triennale, è stato lo studio di un materiale nanostrutturato che presenta proprietà incredibili… i NanoTubi di Carbonio, un materiale composto solo da atomi di Carbonio.

Struttura atomica e caratteristiche del Carbonio.

Struttura atomica e caratteristiche del Carbonio.

I NanoTubi di Carbonio, solitamente abbreviati in CNTs (Carbon NanoTubes) rappresentano forse la punta più avanzata dell’odierna ricerca nanotecnologica.
Si possono immaginare come strutture cilindriche, formate da un foglio di Grafite (Grafene) arrotolata in cui la struttura esagonale ed i legami C-C restano praticamente inalterati, con le estremità aperte o chiuse a seconda dei casi e delle applicazioni.
Furono osservati per la prima volta in maniera fortuita nel 1991, dal ricercatore Sumio Iijima della NEC.

Sumio Iijima

Sumio Iijima

I nanotubi si possono suddividere in due famiglie: a parete singola (SWCNTs) e a parete multipla (MWCNTs) e differiscono per struttura e proprietà.

La struttura di un SWCNT (Single Wall Carbon NanoTubes) può essere immaginata come un grafene arrotolato lungo un determinato asse.
Esistono, in base al verso di arrotolamento del foglio di grafite, 3 tipi di SWCNTs, definiti a “poltrona”, “a zigzag” e “chirali”.

Dall'alto in basso: SWCNTs a "poltrona", a "zigzag" e "chirali".

Dall’alto in basso: SWCNTs a “poltrona”, a “zigzag” e “chirali”.

 

Invece un MWCNT (Multi Wall CNT) è formato da più SWCNTs concentrici, cioè da più fogli avvolti uno sull’altro tenuti insieme da interazioni deboli di tipo van der Waals.

Il più semplice MWCNT che si può immaginare è formato da due SWCNTs avvolti uno sull’altro fino a formare il cosiddetto DWCNT (Double Wall CNT).

Nanotubi a parete doppia

Nanotubo a parete doppia (DWCNTs)

Naturalmente aumentando il numero di pareti, il diametro cresce, fino a raggiungere qualche decina di nanometri.

L’interesse suscitato dai CNTs si deve principalmente alle loro eccezionali proprietà.

Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, queste derivano dalla forza dei legami C-C presenti nel materiale. Calcoli teorici prevedono un modulo di Young di oltre 1 TPa per nanotubi a parete singola, mentre per nanotubi a parete multipla si è misurato l’eccezionale valore di (800±400) GPa. Inoltre per SWCNTs è stata misurata una elongazione di circa il 30% prima della rottura, avvenuta a 55 GPa.
Per comprendere la straordinarietà di questi risultati è sufficiente paragonarli con i valori del modulo elastico dell’acciaio che sono cento volte inferiori a quelli dei SWCNTs.
Un’altra loro peculiare caratteristica risiede nella elevatissima flessibilità e resistenza a fatica: possono infatti essere piegati ripetutamente senza subire danni o deformazioni, in maniera completamente elastica.

Per quanto riguarda invece le proprietà elettroniche dei SWCNTs, queste dipendono dalla chiralità: per nanotubi a poltrona e chirali con n-m multiplo di 3, il comportamento è metallico, mentre gli altri hanno comportamento semiconduttore e presentano un gap che va da 0,2 eV fino a 1,2 eV.
Queste proprietà elettroniche non sono però dovute, come nella grafite, all’overlap tra bande ma sono dovute a stati elettronici discreti unidimensionali separati da circa 0,4 meV.

Comportamento elettronico in base alla chiralità.

Comportamento elettronico in base alla chiralità.

Il diamante è sempre stato considerato il miglior dissipatore in natura, con l’elevato valore di 2500 Wm-1K-1 (più sei volte superiore a quello del rame, molto usato in elettronica); calcoli di dinamica molecolare mostrano per SWCNTs valori di circa 6600 Wm-1K-1, mentre sono stati riportati valori per nanotubi a parete multipla di 3000 Wm-1K-1.

Le tecniche di sintesi per produrre CNTs si possono raggruppare in tre principali (su cui però salterò la spiegazione per non annoiare):

  • Ablazione laser
  • Scarica ad arco
  • Deposizione chimica da fase vapore (CVD)

Caratteristiche comuni di tutte queste tecniche sono l’uso di precursori carboniosi (solidi o gassosi) e l’elevata temperatura raggiunta durante la sintesi. Si ottengono diverse strutture e gradi di purezza dei nanotubi finali secondo le condizioni di sintesi, come temperatura, pressione, precursore, tempi, di sintesi e catalizzatori presenti. Nella tecnica chiamata ablazione laser si producono CNTs attraverso la vaporizzazione di un target a base carbonio, effettuata tramite un fascio prodotto da un laser di potenza. Nella sintesi mediante scarica ad arco, invece, si ha l’evaporazione di carbonio da un anodo di grafite verso un catodo (anch’esso di grafite) attraverso una scarica che avviene ad alta pressione.
Tra le tecniche di sintesi CVD ricordiamo principalmente la PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) e la TCVD (Thermal Chemical Vapour deposition).
La tecnica PECVD si basa sull’attivazione di una fase gassosa da parte di un’opportuna sorgente, come microonde, radiofrequenze, un filamento caldo oppure una fiamma.
Si possono avere tecniche sia in vuoto che a pressione ambiente (in questo caso per evitare l’ossidazione è bene usare flussi di gas inerti), ed è una tecnica molto versatile ed usata.

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La figura sopra rappresenta l’evoluzione delle pubblicazioni basate su tecniche CVD in funzione dell’anno di pubblicazione.
L’istogramma rappresenta la percentuale (a sinistra) e la percentuale cumulata (a destra) per campioni di 150 articoli.
Si può notare il picco in presenza dell’anno 1991, ma non si deve cadere in errore pensando qualche correlazione col fatto che coincide con l’anno della scoperta dei CNTs, poiché i primi esperimenti di nanotubi cresciuti tramite CVD sono datati 1993.

Il meccanismo di crescita dei CNTs resta tuttora un campo di ricerca aperto; gli unici dati sicuri sono che la formazione dei nanotubi sia strettamente legata alla presenza di particelle metalliche che hanno la funzione di promuovere la crescita e che la formazione di calotte fullereniche a chiusura del nanotubo comporta la terminazione del processo di crescita.
Esistono però due meccanismi di crescita molto studiati e che dipendono dall’interazione del catalizzatore con il substrato: se l’interazione tra particella e substrato è forte il carbonio cresce partendo dal catalizzatore con quest’ultimo attaccato alla superficie del substrato. (meccanismo Base-growth).
Nel caso invece in cui l’aderenza tra la particella metallica e la superficie sia debole, il catalizzatore è spinto verso l’alto nella formazione del nanotubo con il risultato che la particella di catalizzatore è contenuta nell’estremità superiore del nanotubo. (meccanismo Tip-growth).

Possibili meccanismi di crescita

Possibili meccanismi di crescita

In presenza però di un catalizzatore metallico composto da Nichel/Titanio (come nel caso studiato) è stato visto che il meccanismo si modifica leggermente: infatti il Titanio ha una grande affinità con il Silicio del substrato ed inoltre trattiene il Nichel, il quale però risale come perline lungo il nanotubo, creando di fatto un meccanismo ibrido tra i due visti che migliora la crescita.

I CNTs rappresentano dunque la punta di un iceberg di scoperte, che rappresenteranno insieme ad altri materiali nanostrutturati (di cui magari parlerò in seguito) il futuro della scienza e della tecnologia, soprattutto in campi come l’elettronica, la sensoristica e la medicina.

Spero vi sia piaciuto l’articolo.
So che questa volta è stato un po’ più tecnico, ma con l’argomento trattato era difficile non farlo.

Per suggerimenti sui prossimi articoli potete contattarmi su Facebook o Twitter, oppure commentare direttamente qui sotto.

Saluti,

MMarans.

 

 

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La TV a LED: che miglioramenti ci sono rispetto alle TV LCD?

Mi vorrei scusare pubblicamente con i (pochi e coraggiosi) lettori di questo blog per il tempo in cui non ho pubblicato… in effetti è stato troppo. Ma se tutto andrà come sperato avrete nuove notizie a breve… prometto che spiegherò a tutti il perché di questa assenza.
Colgo l’occasione inoltre per esortarvi a segnarvi sulla pagina FB di SempliceMenteScienza!
In fondo… un piccolo “mi piace” vi porterà ad avere sempre le ultime notizie aggiornate.

Ma ora passiamo all’articolo vero e proprio… un articolo che parlerà dei televisori a LED!
E’ solo una trovata commerciale o l’introduzione della tecnologia LED porta dei vantaggi reali nell’acquisto di una televisione?
Come al solito cominciamo l’articolo con un piccolo preambolo personale…

TV LED

Più che un vero e proprio ricercatore di base, mi sono sempre sentito più “scienziato a tutto tondo”.
Non sono mai stato un vero appassionato di scienza di base, anche se appoggio chi compie la scelta di andare al confine della conoscenza umana per scoprire l’impensabile.
Mi sono sempre sentito più uno scienziato inventore, un esperto di tecnologia, in ogni campo esistente. O almeno ci provo.
La mia passione non è la Scienza in se e per se… ma come questa si possa applicare alla vita di tutti i giorni.
Da qui nasce il mio interesse verso campi a cui si interessano pochi scienziati come la domotica e i campi affini.
In particolare, anche grazie ad un corso tenuto da un famoso professore della mia Università, Thomas Brown, mi sono appassionato alla tecnologia dei televisori.
Proprio durante quel periodo fu introdotta nei dispositivi comuni la tecnologia a retroilluminazione LED, di cui oggi cercherò di parlare nel modo più semplice possibile.

Intanto cominciamo spiegando cosa è un LED, perchè non è una lampadina colorata come si potrebbe immaginare, anche se può sembrarlo a prima vista.
LED è un acronimo che sta per Light Emitting Diode (Diodo ad emissione di luce) ed è (cito da Wikipedia) “un dispositivo optoelettronico che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni attraverso il fenomeno dell’emissione spontanea ovvero a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Il primo è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr”.

Vari LED di diversi colori

Vari LED di diversi colori

Come funziona un LED?
Abbiamo già visto in altri articoli come funziona un atomo, e che ruolo hanno gli elettroni nella struttura della materia. Quando non si parla più di un atomo, ma di un materiale macroscopico, la struttura di complica, e si formano due zone (in termini di energia) in cui possono trovarsi gli elettroni: banda di valenza e banda di conduzione.
Il cosiddetto “Livello di Fermi” indica in questo caso la massima energia che può avere un elettrone in stato di riposo (l’Energia di Fermi).
La differenza energetica tra le due bande indica il tipo di materiale di cui stiamo parlando:

  • I materiali isolanti hanno le due bande distinte e molto distanti in termini di energia, con tutti gli elettroni in banda di valenza.
  • Nei metalli le due bande sono contigue e gli elettroni stanno anche nella banda di conduzione, e per questo è permesso il passaggio di corrente elettrica.
  • Nei semiconduttori le due bande sono distanti poco, e dando energia al sistema (o creando uno “scalino” tramite il drogaggio, argomento già trattato nell’articolo sui pannelli solari) si possono mandare elettroni in banda di condizione.
Banda di valenza e conduzione dei diversi tipi di materiali

Banda di valenza e conduzione per i diversi tipi di materiali

Quando si crea una giunzione p-n come nel caso di un pannello solare, per esempio, bisogna tener conto di queste bande.
Un LED non è altro che una sottilissima giunzione p-n a semiconduttore: quando viene data corrente, gli elettroni e le lacune di cui è formata la giunzione in banda di conduzione e di valenza rispettivamente, si ricombinano.
Questo avviene con il rilascio di un fotone (cioè di luce), che avrà energia pari alla differenza tra le bande. Essendo l’energia di un fotone legata direttamente alla sua lunghezza d’onda avremo fotoni uscenti dal diodo ad un preciso colore, che corrisponderà al colore del diodo.
Per aiutare questo procedimento si tende, solitamente, a colorare l’involucro plastico del LED per due motivi:

  1. Si aumenta la colorazione del LED stesso.
  2. Spesso si usa nei processi fabbricativi solo la produzione di LED bianchi, che creeranno luce colorata una volta filtrata dalla plastica esterna.

I LED sono usati principalmente per le loro ridottissime dimensioni, per il basso consumo, la notevole durata e l’efficienza elevata (rispetto alle altre lampadine).

Passiamo ora a capire come si possa usare un LED nella tecnologia di un televisore.
Per farla breve, un televisore LCD non è altro che un sistema di filtri regolati da una specie di processore in grado di tapparsi o aprirsi al passaggio di luce.
Ogni Pixel (cioè ogni quadratino di cui è composta l’immagine) è quindi composto al suo interno da tre sotto-pixel (4 nel caso delle TV Sharp Quattron).
Variando il comportamento dei sotto-pixel si regola il colore del pixel e quindi l’immagine che si andrà a formare.
Si può capire facilmente vedendo l’esempio sottostante.

Formazione dei colori nel TV LCD

Formazione dei colori nel TV LCD

Per l’illuminazione dei TV LCD si è sempre usata una lampadina tradizionale, fino all’arrivo delle TV a retroilluminazione LED.
Bisogna fare attenzione ad una cosa: le TV LED non hanno i pixel a LED, ma solo la retroilluminazione.
Esistono TV con direttamente LED colorati, e si chiamano TV OLED (magari in futuro farò un articolo anche su questo).
Quindi non lasciatevi ingannare dalle apparenze… le TV LED sono a tutti gli effetti TV LCD!!!
Durante gli anni di studio si sono sviluppate, in parallelo, due tipi di retroilluminazione: la prima (in ordine cronologico) sviluppata da Samsung, e l’ultima da Sharp: sono, rispettivamente la tecnologia LED Edge e Full.
Sono semplicemente due modi di intendere la retroilluminazione.
Nei TV Edge LED i led sono disposti lungo la cornice, mentre nei Full LED formano un tappeto di piccole lucine.
Mi sembra ovvio e scontato dire che i TV Full LED sono di gran lunga i migliori, sia in termini di contrasto che di luminosità: basta vedere la differenza tra uno schermo Sharp e Samsung (a parità di caratteristiche) per rendersene conto!

Edge LED e Full Led

Edge LED e Full Led

Ricapitolando, in TV LED presentano rispetto ai TV LCD classici un minor consumo e una migliore visione e longevità. In particolare i TV Full LED (solitamente prodotti da Sharp) possiedono un livello di contrasto ed illuminazione superiore agli altri (Edge LED).
Non bisogna però farsi ingannare dal nome: i TV LED sono a tutti gli effetti televisori LCD. Esistono anche ora TV composti solo da LED (chiamati OLED), ma sono cari ed esiste solo un televisore di dimensioni notevoli, che ha un prezzo esagerato (intorno a 9000€ per un 55″).
Bisognerà aspettare un paio d’anni ancora per avere i TV OLED a prezzi competitivi. Comunque non preoccupatevi… farò un articolo a breve su questi nuovi e straordinari televisori.

Con questo si conclude l’articolo sui televisori LED.
Personalmente ho uno Sharp Full LED e non lo scambierei con un Samsung o un Sony. Ovviamente qui abbiamo parlato esclusivamente dello schermo, in quanto a materiali e costruzione Sony è imbattibile, così come Samsung lo è in termini di Smart TV, cioè di TV con integrate diverse funzionalità tecnologiche innovative per il prodotto.

Vorrei fare un ringraziamento speciale all’Università di Napoli Federico II ed in particolare ai gestori della pagina “Scienza e Scuola” per aver messo questo blog nelle pagine didattiche italiane. E’ stato un momento quasi di commozione vedere il mio blog tra le pagine consigliate. Grazie ancora.

Spero che sia stato di vostro gradimento l’articolo. Cercherò di riprendere la frequenza di pubblicazione che avevo all’inizio dell’avventura.
Vi ricordo solo che per domande o altro potete lasciare un commento qui sotto o in alternativa contattarmi su Facebook alla pagina di SempliceMenteScienza, pagina a cui vi consiglio di segnarvi per seguire tutti i miei nuovi articoli.

Saluti,

MMarans.

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