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Nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio possono essere considerati, analogamente al fullerene una delle forme allotropiche del carbonio. Il corpo del nanotubo è formato da soli esagoni mentre le strutture di chiusura sono formate da esagoni e pentagoni, esattamente come i fullereni.

La scoperta da parte di Sumio Iijima dei nanotubi di carbonio (CNTs) avvenuta nel 1991 ha inaugurato una nuova era nell’ambito della scienza dei materiali.  Lo scienziato giapponese osservò tramite un microscopio elettronico a trasmissione ad altissima risoluzione strutture tubulari di tipo fullerenico nella fuliggine prodotta in una scarica ad arco tra due elettrodi di grafite.

Classificazione

I nanotubi possono essere suddivisi in due tipi:

• nanotubo a parete singola o SWCNT (Single-Walled Carbon NanoTube): costituito da un singolo foglio grafitico avvolto su sé stesso;
• nanotubo a parete multipla o MWCNT (Multi-Walled Carbon NanoTube): formato da più fogli avvolti coassialmente uno sull’altro

Un nanotubo di carbonio a parete singola ha la forma di una cannuccia ed è costituito da un solo strato. I nanotubi di carbonio a parete multipla possono essere costituiti da un minimo di 2 fogli fini a 100 o più fogli che si trovano a una certa distanza e legati da forze interatomiche.

La formazione di un nanotubo a parete singola piuttosto che di un nanotubo a parete multipla dipende dallo stadio più lento del processo di crescita. Se lo stadio più lento è costituito dalla diffusione del carbonio all’interno della particella si avrà crescita preferenziale di MWNT. Invece  se la tappa più lenta è l’alimentazione di carbonio alla particella di catalizzatore, si ha formazione preferenziale di SWNT. Il diametro di un SWNT è compreso tra un minimo di 0,7 nm e un massimo di 10 nm.  L’elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro dei SWNT consente di considerarli come delle nanostrutture virtualmente monodimensionali, e conferisce a queste molecole delle proprietà peculiari.

Il modo in cui è avvolto il foglio è rappresentato da una coppia di indici (n , m ).

I numeri interi n e m  indicano il numero di unità di vettori lungo le due direzioni del reticolo cristallino.

Se m = 0, i nanotubi sono detti zigzag, se n = m , i nanotubi sono detti armchair mentre nel caso in cui sono costituiti da esagoni disposti a elica intorno all’asse sono detti chirali.

Le caratteristiche dei nanotubi possono essere diverse a seconda di come il foglio di grafene si è arrotolato per formare il tubo conferendogli caratteristiche di metallo o di semiconduttore.

Queste strutture sono dotate di eccellenti proprietà meccaniche, elettroniche e termiche.

Proprietà

I nanotubi sono tra i materiali più resistenti e duri, hanno bassa densità e proprietà meccaniche come forza tensile e modulo di Young uniche e pertanto costituiscono una risorsa per materiali compositi ad elevata prestazione. La forza e la rigidità dei nanotubi sono dovuti al tipo di legami presenti nella struttura in cui il carbonio è ibridato sp².

I nanotubi mostrano proprietà di conduttività che cambiano secondo la loro geometria: alcuni mostrano un comportamento metallico, altri comportamento metallico o semiconduttore a seconda dei casi.

Produzione

I nanotubi di carbonio possono essere prodotti sia nei laboratori di ricerca che a livello industriale. Storicamente erano utilizzate due tecniche ovvero la scarica ad arco e l’ablazione laser. Entrambe le tecniche danno luogo alla formazione di nanotubi di carbonio a partire da un bersaglio di grafite in cui vengono inserite piccole quantità di metalli quali ferro, cobalto o nichel.

Il bersaglio è poi bombardato con una sorgente altamente energetica come una scarica elettrica (tecnica della scarica ad arco) o un raggio laser (ablazione laser) che provocano vere e proprie esplosioni nella grafite e quindi la sublimazione del carbonio.

Grazie al metallo contenuto il carbonio sublimato tende ad acquisire una forma cilindrica con ottenimento del nanotubo.

Queste tecniche sono state successivamente abbandonate in quanto la scarica ad arco porta alla formazione di prodotti indesiderati mentre l’ablazione laser comporta l’uso di macchinari eccessivamente costosi.

La tecnica attualmente utilizzata è la deposizione chimica da fase vapore in cui occorrono un substrato solido come il quarzo sul quale avviene la reazione chimica un materiale catalitico come ferro, cobalto o nichel che viene depositato sul substrato e che ha la funzione di iniziatore della reazione e un gas contenente carbonio come metano o acetilene.

Il substrato è riscaldato a una temperatura tra i 600 e gli 800 °C . Quando il gas carbonioso è a contatto con il metallo depositato sul substrato si decompone in carbonio e idrogeno.

Quest’ultimo si disperde nell’atmosfera mentre il carbonio si discioglie nel metallo e, raggiunta la temperatura critica, precipita dando luogo alla formazione del nanotubo.

Usi

L’utilizzo dei nanotubi di carbonio attira un notevole interesse sia da parte del mondo accademico che dall’industria.

Essi possono essere utilizzati in:

• • nanoelettronica come diodi e transistori
  • supercondensatori
  • attuatori elettromeccanici
  • sensori chimici
  • nelle celle a combustibile
  • negli schermi piatti
  • impianti biomedici
  • dispositivi nanoelettronici

anche se i campi di applicazione appaiono illimitati e ancora oggetto di studi.