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.

Untitled

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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Pubblicato il 29 marzo 2013 su Uncategorized. Aggiungi ai preferiti il collegamento . 3 commenti.

  1. FigliodellaTerra

    Come al solito, ottimo articolo… ^^

  2. Invece io l’ho trovato interessantissimo, e ti ringrazio per aver aperto il blog, anche se con poco tempo a disposizione.

  1. Pingback: Un’interazione poco conosciuta: parliamo dei Bieccitoni. | SempliceMenteScienza

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