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Nanotubo di carbonio
Nel 1985 il chimico americano Richard E. Smalley ha scoperto che, in particolari situazioni, gli atomi di carbonio compongono delle strutture ordinate di forma sferica, i fullereni. La struttura, dopo un successivo rilassamento, tende ad arrotolarsi su sé stessa, ottenendo la tipica struttura cilindrica: questi sono i nanotubi di carbonio. I Nanotubi possono essere visti analogamente al fullerene come una delle forme allotropiche del carbonio.
Esistono vari nanotubi, a grandi linee si possono suddividere in due tipi:
- nanotubo a parete singola SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), costituito da un singolo foglio grafitico avvolto su sé stesso;
- nanotubo a parete multipla MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube), formato invece da più fogli avvolti coassialmente uno sull'altro.
Il corpo del nanotubo è formato da soli esagoni, mentre le strutture di chiusura sono formate da esagoni e pentagoni, esattamente come i fullereni. Per questa ragione i nanotubi possono essere considerati come una specie di fullereni giganti. Proprio per questa conformazione di esagoni e pentagoni, i nanotubi presentano spesso dei difetti strutturali o delle imperfezioni che deformano il cilindro. Il diametro di un nanotubo è compreso tra un minimo di 0,7nm e un massimo di 10nm. L’elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro (nell’ordine di 
) consente di considerarli come delle nanostrutture virtualmente monodimensionali, e conferisce a queste molecole delle proprietà veramente peculiari, che vedremo in seguito.
Il primo a scoprire un nanotubo è nel 1991 il giapponese Sumio Iijima, ricercatore della NEC Corporation, la nota industria elettronica nipponica.
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[modifica] Proprietà e possibili usi
A partire dalla scoperta dei nanotubi sono stati fatti numerosi studi per determinare le loro proprietà fisiche e chimiche, sia per sperimentazione diretta sui campioni, sia utilizzando delle simulazioni al computer. Allo stesso tempo i ricercatori stanno sviluppando dei sistemi efficaci per poter sfruttare queste proprietà in vista di un’applicazione pratica.
Il nanotubo a singola parete è un materiale molto resistente alla trazione. Possiede delle interessanti proprietà elettriche: a seconda del suo diametro oppure della sua chiralità (cioè il modo con cui i legami carbonio-carbonio si susseguono lungo la circonferenza del tubo) può essere o un conduttore di corrente, come un metallo, o un semiconduttore, come il silicio presente nei microchip, aprendo così le porte alla ricerca di nuovi metodi di costruzione nel campo dell'elettronica, realizzando chip sempre più piccoli in dimensioni e veloci in prestazioni.
I possibili utilizzi sono: transistor, LED, Laser a ultravioletti, attuatori...
[modifica] Resistenza meccanica
La resistenza meccanica di un corpo dipende da numerosi fattori, tra i quali la forza dei legami atomo-atomo del materiale costruttivo e l’assenza di difetti strutturali nel reticolo. La presenza di difetti gioca un ruolo fondamentale nei processi di rottura per trazione, dato che per rompere un corpo completamente privo di difetti sarebbe necessario vincere nello stesso istante tutte le forze di coesione di tutta la superficie perpendicolare alla direzione di trazione. Nella realtà la presenza di difetti diminuisce enormemente la forza necessaria a rompere l’oggetto. Per portare a rottura un nanotubo privo di difetti occorre quindi spezzare tutti i legami ibridizzati carbonio-carbonio che lo compongono. La tensione di rottura di un nanotubo a singola parete privo di difetti è quindi paragonabile al valore teorico corrispondente al legame carbonio-carbonio in un anello benzenico; questa caratteristica lo rende il materiale organico più resistente, in grado di rivaleggiare con materiali inorganici monocristallini (i cosiddetti whiskers). Una fibra sintetica costituita da nanotubi di carbonio sarebbe quindi la più resistente mai realizzata. È stato calcolato che un nanotubo ideale avrebbe una resistenza alla trazione 100 volte più grande di quella di una barretta d’acciaio ma con un peso 6 volte minore. Se le proprietà di resistenza vengono rapportate alla densità del materiale (la cosiddetta resistenza specifica), allora possiamo affermare che il nanotubo è il miglior materiale che l'ingegneria abbia prodotto. Inoltre va ricordato che i nanotubi non sono solamente resistenti alla rottura per trazione, ma sono anche molto flessibili, e possono essere piegati ripetitivamente fino a circa 90° senza rompersi o danneggiarsi. L’estrema resistenza, unita alla loro flessibilità, li rende ideali per l’uso come fibre di rinforzo nei materiali compositi ad alte prestazioni, in sostituzione delle normali fibre di carbonio, del kevlar o delle fibre di vetro.
Alcune applicazioni che per il momento potrebbero apparire fantascientifiche sono l’uso dei nanotubi per la costruzione di nanomacchine (addirittura di pinze per “afferrare” gli atomi), oppure la realizzazione di una fune chilometrica, la cui resistenza consentirebbe di costruire un ascensore per lo spazio (dall'idea di Carl Sagan).
[modifica] Sensibilità ai campi elettrici
I nanotubi possono essere trattati in maniera da diventare estremamente sensibili alla presenza di campi elettrici ad alto voltaggio. Infatti essi reagiscono a tali campi piegandosi fino a 90°, per riprendere la forma originale non appena il campo elettrico viene interrotto. Le sperimentazioni in tal senso hanno dimostrato che è possibile influenzare la frequenza di risonanza naturale del nanotubo, la quale dipende dalla lunghezza, dal diametro (come per qualsiasi sistema dinamico) e dalla morfologia; tale interessante proprietà potrebbe essere sfruttata in numerose applicazioni di nanotecnologia (nanobilance e nanoattuatori elettromeccanici).
[modifica] Conduttività
La struttura elettronica dei nanotubi è molto simile a quella della grafite, dotata di buone capacita di conduzione in direzione planare, e sarebbe quindi lecito aspettarsi un comportamento simile da parte dei nanotubi. I nanotubi hanno invece mostrato delle sorprendenti proprietà di conduttività che cambiano secondo la loro geometria: alcuni mostrano un comportamento metallico, altri comportamento metallico o semiconduttore a seconda dei casi. È stato notato anche che, in determinate condizioni, gli elettroni possono passare all’interno di un nanotubo senza scaldarlo (fenomeno detto conduzione balistica). Queste proprietà rendono i nanotubi molto interessanti per lo sviluppo di nanocavi o cavi quantici, che potrebbero affiancare il silicio nel campo dei materiali per l’elettronica, e consentire il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica. È stato calcolato infatti che un processore realizzato tramite transistor di nanotubi potrebbe facilmente raggiungere i 1000 GHz, superando tutte le barriere di miniaturizzazione e di dissipazione termica che l'attuale tecnologia al silicio impone. Per fare ciò occorrerebbe però sviluppare una tecnica di produzione di nanotubi di forme e dimensioni diverse e strettamente controllabile, cosa che al momento è ancora impossibile, oltreché la capacità di realizzare contatti giunzioni e circuiti in enorme quantità, per ottenere economie di scala ed abbattere i costi di produzione.
Le proprietà di conduzione dei nanotubi può essere variata drogandoli, ovvero inserendo nella loro struttura degli atomi aventi le caratteristiche ricercate. Tra i risultati più interessanti in questo campo c’è un diodo nanometrico formato da due nanotubi che permette appunto il passaggio della corrente in un senso ma non in quello opposto.
Un giorno ci creeremo in casa i pannelli solari grazie ai nanotubi di carbonio Tutti sanno che i pannelli solari attuali sfruttano una tecnologia molto costosa, ed è per questo che molti scienziati in tutto il mondo stanno cercando di migliorarla, abbattendone i costi elevati. Alcuni di questi scienziati, ricercatori dell’Istituto Tecnologico del New Jersey, guidati da Somenath Mitra, hanno sviluppato una cella fotovoltaica economica e facile da usare che non impiega silicio. Sono i nanotubi di carbonio di cui è costituita che la rendono così, ma l’idea degli scienziati è quella di disegnare o stampare le celle fotovoltaiche su pannelli di plastica flessibili, quindi le applicazioni future saranno illimitate per questo tipo di tecnologia. “Sviluppare celle solari organiche da polimeri è una possibilità conveniente, ma soprattutto semplice”, a detta di Mitra. Per fabbricare le celle solari tradizionali, unità di base dei pannelli, è, infatti, indispensabile avere silicio altamente purificato, ottenuto con un processo molto costoso. Le celle solari sviluppate dai ricercatori del New Jersey, usano invece nanotubi a parete singola e di forma cilindrica combinati con altri a struttura ultrafine, 50 mila volte più piccola di un capello, detti fullereni. Quando la luce cade su una cella solare organica, l’energia genera cariche positive e negative. Se le cariche vengono separate e mandate verso diversi elettrodi, si crea un flusso di corrente. Per questo i ricercatori hanno realizzato strutture di nanotubi a forma di serpente, che conducono l’energia in modo più efficiente del rame. “Un giorno sarà possibile crearsi in casa i pannelli solari con apposite stampanti e installarli su una parete o sul tetto creando una stazione fotovoltaica. Si potrà guidare la propria macchina ibrida con il pannello disegnato sul tetto”, sostiene Mitra.
[modifica] Produzione di nanotubi e loro purificazione
I nanotubi possono essere sintetizzati utilizzando diverse tecniche più o meno complesse grazie alla vaporizzazione del carbonio e all’utilizzo del laser. Ciò che accomuna i vari processi è il risultato: una grande frazione dei nanotubi prodotti presenta imperfezioni che li rendono praticamente inutilizzabili. Nasce cosi la necessità di purificare il prodotto. I sistemi di purificazione sono numerosi, ma presentano tutti il problema di non essere in grado di separare i nanotubi ideali senza danneggiarli. Purificazioni molto spinte possono portare ad una perdita consistente dei nanotubi prodotti e possono danneggiare seriamente la loro morfologia iniziale (alcune tecniche presentano livelli di scarto superiore al 90%). Tutto questo provoca un costo di produzione elevatissimo che porta la ricerca ad essere limitata ai grandi centri di studio e sviluppo.
"Se i termini: Età della Pietra, Età del Bronzo ed Età del Ferro derivano dagli strumenti che gli esseri umani hanno fabbricato, allora, la nuova era tecnologica in cui stiamo entrando potrà a buon diritto essere definita: Era del Diamante." Ralph C. Merkle - Centro di Ricerca Xerox di Palo Alto
[modifica] Innovazioni
- Alla Case Western Reserve University si sta lavorando alla creazione di nanotubi autoassemblanti.
- All'Università della California cercano di impiantare neuroni di topo (prelevati dall'ippocampo) su uno strato di nanotubi a parete multipla con lo scopo di sperimentare interfacce neuro-informatiche
- Al Massachusetts Institute of Technology stanno sviluppando batterie innovative basate su nanotubi.
- Chris Cox ,un innovatore Architettonico, recentemente ha adottato il nanotubo come elemento strutturale in un progetto vincente del recentemente acclamato architetto, Emrson Prosser.
- Un progetto (NaPhoD) nato dalla collaborazione di alcune Università Europee sta lavorando all'inserimento di molecole organiche fotoattive all'interno di nanotubi di carbonio.
[modifica] Rischi per la salute
Sono in corso numerosi studi per verificare la possibilità di rischi per la salute dovute all'ingestione o all'inalazione di nanotubi. Recentemente alcuni di questi hanno evidenziato che cavie animali subiscono "infiammazioni e lesioni ai polmoni simili a quelle dovute all'amianto"[1] se esposte a particolari tipologie di nanotubi. Considerata la novità di queste tecnologie, si tratta naturalmente di studi da approfondire e deve essere ancora essere verificato se tali effetti evolvano poi in forme cancerose.
[modifica] Note
[modifica] Bibliografia
- (EN) S. Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, 1991, 354, 56.
- (EN) M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus e P. C. Eklund. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. Burlington, Academic Press, 1996. ISBN 0122218205
[modifica] Voci correlate
[modifica] Altri progetti
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