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Cosa sono i nanotubi di carbonio e a cosa servono?

Cosa sono i nanotubi di carbonio e a cosa servono?

I nanotubi di carbonio sono cose incredibili. Possono essere più forti dell'acciaio pur essendo più sottili di un capello umano.

Sono anche altamente stabili, leggeri e hanno incredibili proprietà elettriche, termiche e meccaniche. Per questo motivo, hanno il potenziale per lo sviluppo di molti materiali futuri interessanti.

Possono anche contenere la chiave per costruire i materiali e le strutture del futuro, come gli ascensori spaziali.

Qui, esploriamo cosa sono, come sono realizzati e quali applicazioni tendono ad avere. Questa non vuole essere una guida esaustiva e deve essere utilizzata solo come una rapida panoramica.

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Cosa sono i nanotubi di carbonio e le loro proprietà?

I nanotubi di carbonio (in breve CNT), come suggerisce il nome, sono minuscole strutture cilindriche realizzate in carbonio. Ma non solo un carbonio qualsiasi, i CNT sono costituiti da fogli arrotolati di un singolo strato di molecole di carbonio chiamate grafene.

Tendono a presentarsi in due forme principali (merito di nanowerk.com):

1. Nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) - Questi tendono ad avere un diametro inferiore a 1 nm.

2. Nanotubi di carbonio a pareti multiple (MWCNT) - Questi sono costituiti da diversi nanotubi concentricamente interconnessi e tendono ad avere diametri che possono raggiungere oltre 100 nm.

In entrambi i casi, i CNT possono avere lunghezze variabili da diversi micrometri a centimetri.

Poiché i tubi sono costruiti esclusivamente in grafene, condividono molte delle sue proprietà interessanti. I CNT, ad esempio, sono legati con legami sp2 - questi sono estremamente forti a livello molecolare.

I nanotubi di carbonio hanno anche la tendenza a legarsi insieme tramite le forze di van der Waals. Ciò fornisce loro un'elevata resistenza e un peso ridotto. Inoltre tendono ad essere materiali altamente conduttivi elettricamente e termicamente conduttivi.

"Le singole pareti CNT possono essere metalliche o semiconduttive a seconda dell'orientamento del reticolo rispetto all'asse del tubo, che si chiama chiralità".

I nanotubi di carbonio hanno anche altre straordinarie proprietà termiche e meccaniche che li rendono attraenti per lo sviluppo di nuovi materiali.

Ad esempio (credito a nanowerk.com):

  • I CNT possono avere una resistenza meccanica alla trazione 400 volte quello dell'acciaio normale.

  • Sono molto leggeri poiché la loro densità è un sesto di quella dell'acciaio.

  • La conducibilità termica dei CNT è migliore di quella di un diamante.

  • I nanotubi di carbonio hanno un rapporto di aspetto molto elevato maggiore di 1000. In altre parole, in relazione alla loro lunghezza, sono estremamente sottili.

  • "La loro area della superficie della punta è vicina al limite teorico (minore è l'area della superficie della punta, più concentrato è il campo elettrico e maggiore è il fattore di potenziamento del campo).

  • Come la grafite, sono altamente stabili chimicamente e resistono praticamente a qualsiasi impatto chimico a meno che non siano contemporaneamente esposti a temperature elevate e ossigeno, una proprietà che li rende estremamente resistenti alla corrosione.

  • Il loro interno cavo può essere riempito con vari nanomateriali, separandoli e schermandoli dall'ambiente circostante, una proprietà estremamente utile per applicazioni di nanomedicina come la somministrazione di farmaci ".

Cosa fanno i nanotubi di carbonio?

Come abbiamo già visto, i nanotubi di carbonio hanno alcune proprietà molto insolite. Per questo motivo, i CNT hanno molte applicazioni interessanti e varie.

Infatti, a partire dal 2013, secondo Wikipedia tramite Science Direct, la produzione di nanotubi di carbonio ha superato diverse migliaia di tonnellate all'anno. Questi nanotubi hanno molte applicazioni, incluso l'uso in:

  • Soluzioni per l'accumulo di energia
  • Modellazione del dispositivo
  • Strutture composite
  • Parti automobilistiche, anche potenzialmente nelle auto a celle a combustibile a idrogeno
  • Scafi di barche
  • Articoli sportivi
  • Filtri per l'acqua
  • Elettronica a film sottile
  • Rivestimenti
  • Attuatori
  • Schermatura elettromagnetica
  • Tessili
  • Applicazioni biomediche, inclusa l'ingegneria dei tessuti di ossa e muscoli, rilascio di sostanze chimiche, biosensori e altro ancora

Ci sono anche molte aree promettenti in cui i nanotubi di carbonio potrebbero aiutare in altri campi interessanti.

Cosa sono i nanotubi di carbonio a pareti multiple?

Come abbiamo già visto, i nanotubi di carbonio a pareti multiple sono quei nanotubi costituiti da diversi nanotubi concentricamente interconnessi. Tendono ad avere diametri che possono arrivare anche in eccesso 100 nm.

Possono raggiungere una lunghezza superiore a centimetri e tendono ad avere rapporti di aspetto che variano tra 10 e 10 milioni.

"Possono essere distinti dai nanotubi di carbonio a parete singola sulla base della loro struttura e rigidità da bambola russa a pareti multiple e formano nanofibre di carbonio sulla base della loro diversa struttura della parete, del diametro esterno più piccolo e di un interno cavo", osserva Ákos Kukovecz et al.

I nanotubi a parete multipla possono contenere tra 6 e 25 o pareti più concentriche.

I MWCNT hanno alcune proprietà eccellenti che possono essere sfruttate in un gran numero di applicazioni commerciali. Questi includono (credito ad azonona.com):

  • Elettrico: Gli MWNT sono altamente conduttivi se adeguatamente integrati in una struttura composita. Va notato che solo la parete esterna è conduttiva, le pareti interne non sono strumentali alla conduttività.

  • Morfologia: Gli MWNT hanno un rapporto di aspetto elevato, con lunghezze tipicamente superiori a 100 volte il diametro, e in alcuni casi molto più alto. Le loro prestazioni e applicazioni si basano non solo sulle proporzioni, ma anche sul grado di aggrovigliamento e rettilineità dei tubi, che a sua volta è funzione sia del grado che della dimensione dei difetti nei tubi.

  • Fisico: Gli MWNT individuali e privi di difetti hanno un'eccellente resistenza alla trazione e, se integrati in un composito, come un composto termoplastico o termoindurente, possono aumentare significativamente la sua resistenza.

  • Termico: Gli MWNT hanno una stabilità termica maggiore di 600 ° C, in base al livello dei difetti e in una certa misura alla purezza, in quanto un catalizzatore residuo nel prodotto può anche catalizzare la decomposizione.

  • Chimica: I MWNT sono un allotropo di sp2 carbonio ibridato, simile alla grafite e ai fullereni, e come tale ha un'elevata stabilità chimica. Tuttavia, è possibile funzionalizzare i nanotubi per migliorare sia la resistenza che la disperdibilità dei compositi.

Come si formano i nanotubi di carbonio?

Ad oggi, ci sono tre metodi principali per la produzione di nanotubi di carbonio.

Questi sono:

1. Scarica dell'arco

All'interno di questo processo, la grafite viene bruciata elettronicamente. I CNT si formano nella fase gassosa, che viene successivamente separata.

Questo processo tende anche a utilizzare un metallo come ferro, cobalto o nichel come catalizzatore.

2. Ablazione laser della grafite

Proprio come la scarica dell'arco sopra, la grafite viene bruciata, tranne questa volta con l'uso di un laser. La forma del CNT in un modo simile e successivamente viene separata.

Questa tecnica utilizza anche catalizzatori metallici per facilitare il processo.

3. Torcia al plasma

Simile ai primi due metodi sopra, il processo per realizzare una torcia al plasma utilizza gas contenente carbonio invece di vapori di grafite per creare i nanotubi di carbonio.

4. Deposizione chimica da fase vapore (CVD)

La CVD è un processo che rappresenta la più grande promessa per la produzione di CNT. Consente un processo di produzione quantitativo molto maggiore ed è molto più controllabile.

È anche più economico.

Durante la CVD, un substrato viene preparato con uno strato di particelle di catalizzatore metallico, più comunemente nichel, cobalto, ferro o una combinazione.

"I nanotubi crescono nei siti del catalizzatore metallico; il gas contenente carbonio viene spezzato sulla superficie della particella del catalizzatore e il carbonio viene trasportato ai bordi della particella, dove forma i nanotubi", osserva un volume modificato sulla funzionalizzazione chimica dei nanomateriali di carbonio.

Questo processo può essere puramente catalitico o supportato dal plasma.

5. Elettrolisi liquida

Questa tecnica è stata scoperta nel 2015 dalla George Washington University per produrre MWCNT attraverso l'elettrolisi di carbonati fusi. Il processo di base è simile a quello di CVD.


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