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Una pagina di nanotubi di carbonio


Scienza e tecnologia del nanotubi di carbonio

I nanotubi di carbonio sono tubi a scala molecolare di carbonio grafitico con proprietà eccezionali. Sono tra le fibre più rigide e più resistenti conosciute e hanno proprietà elettroniche notevoli e molte altre caratteristiche uniche. Per questi motivi hanno attratto un enorme interesse accademico e industriale, con migliaia di articoli su nanotubi pubblicati ogni anno. Le applicazioni commerciali sono state piuttosto lente da sviluppare, tuttavia, principalmente a causa degli elevati costi di produzione dei nanotubi di migliore qualità.

Storia

L'attuale enorme interesse per i nanotubi di carbonio è una diretta conseguenza della sintesi di buckminsterfullerene, C60 e altri fullereni, nel 1985. La scoperta che il carbonio poteva formare strutture stabili e ordinate oltre alla grafite e al diamante stimolava i ricercatori di tutto il mondo alla ricerca di altre nuove forme di carbonio. La ricerca ebbe un nuovo impulso quando fu dimostrato nel 1990 che la C60 poteva essere prodotta in un semplice apparato di evaporazione dell'arco facilmente reperibile in tutti i laboratori. Stava usando un tale evaporatore che lo scienziato giapponese Sumio Iijima scoprì i nanotubi di carbonio legati al fullerene nel 1991. I tubi contenevano almeno due strati, spesso molti di più, e avevano un diametro esterno da circa 3 nm a 30 nm. Erano invariabilmente chiusi ad entrambe le estremità.

Una micrografia elettronica a trasmissione di alcuni nanotubi a parete multipla è mostrata nella figura (a sinistra). Nel 1993 fu scoperta una nuova classe di nanotubi di carbonio, con un solo strato. Questi nanotubi a parete singola sono generalmente più stretti dei tubi a parete multipla, con diametri tipicamente nell'intervallo 1-2 nm e tendono ad essere curvi anziché diritti. L'immagine a destra mostra alcuni tipici tubi a parete singola È stato presto stabilito che queste nuove fibre avevano una gamma di proprietà eccezionali (vedi sotto), e questo ha scatenato un'esplosione di ricerca sui nanotubi di carbonio. È importante notare, tuttavia, che i tubi in nanoscala di carbonio, prodotti cataliticamente, erano noti da molti anni prima della scoperta di Iijima. Il motivo principale per cui questi primi tubi non suscitavano grande interesse è che erano strutturalmente piuttosto imperfetti, quindi non avevano proprietà particolarmente interessanti. La ricerca recente si è concentrata sul miglioramento della qualità dei nanotubi prodotti cataliticamente.

Struttura

Il legame nei nanotubi di carbonio è sp², con ogni atomo unito a tre vicini, come nella grafite. I tubi possono quindi essere considerati come fogli di grafene arrotolati (il grafene è un singolo strato di grafite). Ci sono tre modi distinti in cui un foglio di grafene può essere arrotolato in un tubo, come mostrato nel diagramma sottostante.

I primi due di questi, noti come "poltrona" (in alto a sinistra) e "zig-zag" (centro a sinistra) hanno un alto grado di simmetria. I termini "poltrona" e "zigzag" si riferiscono alla disposizione degli esagoni attorno alla circonferenza. La terza classe di valvole, che in pratica è la più comune, è conosciuta come chirale, il che significa che può esistere in due forme speculari. Un esempio di nanotubo chirale è mostrato in basso a sinistra.

La struttura di un nanotubo può essere specificata da un vettore (n, m), che definisce il modo in cui il foglio di grafene viene arrotolato. Questo può essere compreso con riferimento alla figura a destra. Per produrre un nanotubo con gli indici (6,3), per esempio, il foglio viene arrotolato in modo che l'atomo etichettato (0,0) sia sovrapposto a quello etichettato (6,3). Si può vedere dalla figura che m = 0 per tutti i tubi a zig-zag, mentre n = m per tutti i tubi da poltrona.


Sintesi

Il metodo di evaporazione dell'arco, che produce i migliori nanotubi di qualità, comporta il passaggio di una corrente di circa 50 amp tra due elettrodi di grafite in un'atmosfera di elio. Questo fa sì che la grafite si vaporizzi, in parte si condensa sulle pareti del recipiente di reazione e parte di esso sul catodo. È il deposito sul catodo che contiene i nanotubi di carbonio. I nanotubi a parete singola vengono prodotti quando Co e Ni o altri metalli vengono aggiunti all'anodo. È noto fin dagli anni '50, se non prima, che i nanotubi di carbonio possono anche essere fatti facendo passare un gas contenente carbonio, come un idrocarburo, su un catalizzatore. Il catalizzatore è costituito da particelle di metallo di dimensioni nanometriche, generalmente Fe, Co o Ni. Queste particelle catalizzano la rottura delle molecole gassose in carbonio, e un tubo inizia a crescere con una particella di metallo sulla punta. È stato dimostrato nel 1996 che i nanotubi a parete singola possono anche essere prodotti cataliticamente. La perfezione dei nanotubi di carbonio prodotti in questo modo è stata generalmente più scarsa di quella prodotta dall'evaporazione dell'arco, ma negli ultimi anni sono stati fatti grandi miglioramenti nella tecnica. Il grande vantaggio della sintesi catalitica rispetto all'evaporazione dell'arco è che può essere scalato per la produzione di volume. Il terzo metodo importante per produrre nanotubi di carbonio comporta l'uso di un potente laser per vaporizzare un bersaglio in grafite metallica. Questo può essere usato per produrre tubi a parete singola con alta resa.

Proprietà

La forza dei legami carbonio-carbonio sp² conferisce ai nanotubi di carbonio straordinarie proprietà meccaniche. La rigidità di un materiale è misurata in termini del modulo di Young, il tasso di variazione dello stress con lo sforzo applicato. Il modulo Young dei migliori nanotubi può raggiungere i 1000 GPa, che è circa 5 volte più alto dell'acciaio. La resistenza alla trazione, o strappo dei nanotubi, può arrivare a 63 GPa, circa 50 volte più in alto dell'acciaio. Queste proprietà, insieme alla leggerezza dei nanotubi di carbonio, offrono loro un grande potenziale in applicazioni come l'aerospaziale. È stato persino suggerito che i nanotubi potrebbero essere usati nello "space elevator", un cavo terra-spazio proposto per la prima volta da Arthur C. Clarke. Anche le proprietà elettroniche dei nanotubi di carbonio sono straordinarie. Particolarmente degno di nota è il fatto che i nanotubi possono essere metallici o semiconduttori a seconda della loro struttura. Quindi, alcuni nanotubi hanno conduttività più alte di quelle del rame, mentre altri si comportano più come il silicio. C'è un grande interesse per la possibilità di costruire dispositivi elettronici su nanoscala da nanotubi, e alcuni progressi sono stati fatti in questo settore. Tuttavia, al fine di costruire un dispositivo utile avremmo bisogno di organizzare molte migliaia di nanotubi in uno schema definito, e non abbiamo ancora il grado di controllo necessario per raggiungere questo obiettivo. Esistono diverse aree della tecnologia in cui vengono già utilizzati nanotubi di carbonio. Questi includono display a schermo piatto, microscopi a sonda di scansione e dispositivi di rilevamento. Le proprietà uniche dei nanotubi di carbonio porteranno indubbiamente a molte altre applicazioni.

Nanohorn

Coni di carbonio a parete singola con morfologie simili a quelle dei cappucci di nanotubi sono stati preparati da Peter Harris, Edman Tsang e colleghi nel 1994 (clicca qui per vedere il nostro articolo). Sono stati prodotti da trattamenti termici ad alta temperatura di fuliggine di fullerene - clicca qui per vedere un'immagine tipica. Successivamente, il gruppo di Sumio Iijima ha dimostrato che potrebbero anche essere prodotti mediante ablazione laser della grafite e ha dato loro il nome di "nanohorn". Questo gruppo ha dimostrato che i nanohorn hanno notevoli proprietà adsorbenti e catalitiche.

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Collegamenti di nanotubi

Storia di nanotubi di carbonio di C & EN

L'articolo di Wikipedia sui nanotubi di carbonio

Un eccellente programma chiamato Nanotube Modeler di JCrystal.

Un compendio delle proprietà fisiche dei nanotubi di carbonio di Thomas A. Adams II

Galleria di animazione Nanotube di Shigeo Maruyama

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Nano siti

Nanotechweb

Grafene News

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Fornitori commerciali di nanotubi di carbonio e materiali correlati

Disconoscimento

L'elenco delle società in questo sito non implica l'approvazione di particolari società o prodotti.

Nanowerk: free nanomaterial database

SES Research

Reade Advanced Materials

Hyperion Catalysis International

Nanocs Inc.

Eikos (nanotube films)

Stanford Advanced Materials .

NanoLab Incorporated

Nanostructured & Amorphous Materials Inc.

Thomas Swan & Co. Ltd. (UK)

Nanocyl (Belgium)

Reinste Nanoventures (India)

FutureCarbon GmbH (Germany)

Sun Nanotech Co Ltd (China)

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Questo sito è gestito da Peter Harris che lavora presso l'Electron Microscopy Lab presso l'Università di Reading

















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