nanotubo
Nanoparticella dalla caratteristica struttura allungata, cava all’interno, tale da ricordare quella di un piccolissimo tubo. I n. di carbonio sono stati i primi a essere prodotti (1991) e rappresentano la sottoclasse di n. più nota e studiata. Oltre a quelli di carbonio, sono noti n. inorganici costituiti di silice, nitruro di boro, ossido di vanadio.
Struttura dei n. di carbonio
Nei n. di carbonio le ‘pareti’ del tubo sono costituite da atomi di carbonio legati tra loro a formare una rete a maglie esagonali, molto simile a quella della grafite, ‘arrotolata’ in modo da dare origine a una struttura tubolare (v. fig.). Una o entrambe le estremità del tubo possono essere chiuse da superfici arrotondate, costituite da frammenti fullerenici. I n. di carbonio possono perciò essere considerati una sottoclasse dei fullereni, caratterizzata dalla presenza di un numero molto elevato di anelli esagonali e da 12 anelli pentagonali. I n. del tipo rappresentato nella fig. sono detti a parete singola e sono spesso indicati con la sigla SWNT (single-walled nanotubes). Il loro diametro interno varia generalmente da 1 a 10 nm, mentre la lunghezza può arrivare ad alcune centinaia di micrometri. Oltre agli SWNT esistono n. di carbonio costituiti da vari tubi concentrici, e perciò detti a pareti multiple (MWNT, multiple-walled nanotubes). I primi n. di carbonio appartenevano a quest’ultima categoria. I n. di carbonio si distinguono anche per il modo in cui sono disposti gli anelli esagonali rispetto all’asse del tubo: le diverse disposizioni corrispondono alle diverse maniere in cui si può pensare di arrotolare un foglio di grafite per ricavarne una struttura tubolare. Si hanno così disposizioni a zig-zag quando due lati di ciascun esagono sono paralleli all’asse (A in fig.), ad armchair quando sono perpendicolari (B), a elica quando sono disposti secondo un orientamento intermedio (C). Nei primi due casi, il tubo è ottenuto arrotolando il foglio di grafite lungo uno dei suoi assi di simmetria; in caso contrario (strutture a elica) il n. è chirale.
Metodi di allestimento
I n. di carbonio si possono ottenere in diversi modi. Le procedure più usate sono basate sulla realizzazione di un arco elettrico tra due elettrodi di grafite sotto atmosfera di elio, sulla vaporizzazione della grafite mediante laser, sulla pirolisi di idrocarburi, sulla decomposizione catalitica del monossido di carbonio e sulla decomposizione termica di carburi metallici. Le caratteristiche del prodotto ottenuto variano molto a seconda del metodo usato e, a parità di metodo, in dipendenza dei numerosi parametri sperimentali in gioco. Per es., mediante la semplice scarica all’arco elettrico si ottengono generalmente MWNT, uniti tra loro a formare fasci, organizzati a loro volta in fibre e in fili, fino alla dimensione millimetrica. I prodotti ottenuti contengono spesso molti difetti di crescita, che alterano notevolmente la struttura ideale. Per ottenere SWNT occorre aggiungere agli elettrodi dei metalli che fungano da catalizzatori. Il tipo di metallo impiegato influenza molte caratteristiche dei n., prima fra tutte il diametro. In tutte le procedure, comunque, i n. costituiscono solo una parte del prodotto, che contiene anche fullereni, particelle grafitiche, materiale carbonioso amorfo ecc.
Applicazioni
Sin dalla loro scoperta, e in misura crescente all’inizio del Duemila, i n. di carbonio sono stati considerati con grande interesse per le loro possibili applicazioni tecnologiche. Dal punto di vista meccanico, essi rappresentano una delle classi di fibre più resistenti, caratterizzata inoltre da elevata elasticità. Queste proprietà rendono i n. possibili candidati, in sostituzione delle tradizionali fibre di carbonio, come componenti di materiali polimerici compositi per impieghi strutturali.
La particolarità delle dimensioni e della topologia dei n. si riflette anche nella peculiarità del meccanismo di conduzione elettrica. Nei n. di carbonio, infatti, gli elettroni sono spazialmente confinati nella direzione radiale, mentre non lo sono lungo la dimensione assiale. Singoli n. ad armchair mostrano conducibilità metallica, mentre quelli a zig-zag e a elica possono comportarsi sia da metalli sia da semiconduttori. La conducibilità può essere considerevolmente aumentata mediante drogaggio con metalli alcalini, mentre il drogaggio con boro o azoto può indurre il passaggio da semiconduttore a metallo. Per le loro proprietà i n. di carbonio possono prestarsi ad applicazioni come nanofili. Inoltre, l’aggiunta di n. di carbonio a particolari materiali polimerici conduttori ne determina l’aumento della conducibilità di vari ordini di grandezza, congiuntamente al miglioramento delle proprietà meccaniche. Interesse hanno suscitato anche n. di carbonio contenenti al loro interno altre specie chimiche (metalli, carburi, ossidi ecc.). Il ‘riempimento’ del n. può avvenire all’atto stesso della sintesi, per es. aggiungendo dei metalli agli elettrodi tra cui viene realizzato l’arco, oppure in una fase successiva.
Altre applicazioni dei n. sono immaginabili nel campo dei nanosensori e dell’immagazzinamento di energia: così, n. di carbonio mostrano ottima capacità di assorbimento di idrogeno e sono stati perciò proposti per l’immagazzinamento di tale gas in sistemi alimentati mediante celle a combustibile.