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Proseguiamo con la terza parte del percorso già trattato in precedenza riguardante gli interessanti aspetti della nanotecnologia per l'elettronica di consumo. Di seguito verranno presentati i nanotubi di carbonio, una nuova struttura del carbonio molto versatile. Analizzeremo pertanto le proprietà, alcuni metodi di analisi e le varie applicazioni possibili nei vari campi dell'elettronica.

La prima parte è disponibile qui mentre la seconda qui. 

Nanotubi di carbonio

1. Introduzione

I nanotubi di carbonio vennero scoperti nel 1985 da Richard Smalley: le strutture dei fullereni[1], se sottoposte a rilassamenti, possono formare strutture cilindriche cave e quindi generare una nuova forma allotropica del carbonio.

Le prime ricerche su “fibre grafitiche” risalgono al 1952 e sono da attribuire a scienziati russi. L’utilizzo di questa lingua per la pubblicazione ne ostacolò però la diffusione nel mondo. Altre ricerche sono state effettuate più tardi, nel 1991, dalla NEC Corporation.

2. Struttura

Il diametro di un tubo è compreso tra 0.7 e 10 nm, mentre la lunghezza di un singolo tubo può arrivare anche a diversi centimetri. Il più lungo nanotubo osservato è infatti lungo 18.5 cm.

I nanotubi quindi possiedono la stessa struttura ad esagoni, con pentagoni soltanto nelle zone in cui si ha un ripiegamento e quindi una chiusura del tubo. Questa particolare proprietà viene utilizzata per creare vere e proprie nanoprovette.

I nanotubi esistono in due forme: Single-Walled Carbon NanoTube e Multy-Walled Carbon NanoTube. Essi sono quindi formati da uno o più fogli grafitici avvolti su se stessi. Nei MWCNT i fogli sono avvolti coassialmente l’uso sull’altro.

Contrariamente a quanto si può pensare, i MWCNT sono più facili da produrre e quindi meno cari dei SWCNT. I MWCNT hanno inoltre le stesse proprietà dei SW, ma incrementano notevolmente la resistenza ad agenti chimici.

I nanotubi possono anche essere ripiegati per formare nanotoroidi[2]. Questa particolare forma allotropica consentirebbe di avere momento magnetico molto alto, dipendente dal raggio del toroide.

Numerose microscopie hanno permesso di confermare la particolare struttura dei nanotubi: attraverso SEM e TEM[3] è stato possibile osservare le cavità dei filamenti e l’elevato volume occupato dagli stessi. Attraverso STM[4] invece è stato possibile osservare direttamente gli esagoni carbonio.

Combinando invece fullereni con nanotubi è possibile creare nanobuds (“nanogemme”). Queste strutture combinano di fatto le proprietà dei singoli nanotubi e dei fullereni. I fullereni quindi possono fungere da ancore molecolari per prevenire lo scivolamento dei nanotubi, incrementando notevolmente le proprietà meccaniche.

3. Proprietà

I nanotubi possono funzionare come “nanoprovetta”. È quindi possibile chiudere l’estremità di un tubo utilizzando un anello pentagonale in modo da far ricongiungere le due estremità. Queste speciali provette possono diventare permeabili a molecole gassose con un’opportuna dimensione, come ad esempio le molecole di idrgoeno.

Il relativo basso costo e la relativa facilità di produzione, unita all’abbondante quantità di materia prima presente, ne fanno uno dei migliori materiali adatti a rimpiazzarne molti altri. Infatti i nanotubi di carbonio sono estremamente versatili: hanno elevatissima resistenza meccanica e bassissima densità, oltre ad un’elevatissima mobilità elettronica. È quindi possibile sintetizzare composti leggeri ultra resistenti e materiali per l’elettronica, da display a circuiti integrati. Inoltre, grazie alla porosità intrinseca della struttura, essi possono fungere da setacci molecolari o come supporto per catalizzatori, oltre che punte particolari per AFM[5].