UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI LECCE
C.D.L. INGEGNERIA DEI MATERIALI
SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI CERAMICI
A.A. 2002/03
NANOTUBI IN CARBONIO
Allievo ingegnere
RAFFAELLA ATTANASI
Professore
ANTONIO LICCIULLI
INDICE
Perché i nanotubi
Definizione
Proprietà e Applicazioni
Metodi di Sintesi
Tecniche di Purificazione
Conclusioni
PERCHÈ I NANOTUBI
Il primo a fabbricare un nanotubo è stato nel 1991 Sumio Iijima, un
ricercatore della Nec, uno dei colossi giapponesi dell'elettronica.
MA COSA HA DI SPECIALE UN NANOTUBO?
Il nanotubo è la fibra più resistente che si conosca sebbene sia circa
50000 volte più sottile di un capello umano
Inoltre possiede delle proprietà elettriche tali da poter probabilmente
soppiantare il silicio nella prossima generazione di chip elettronici
DEFINIZIONE
I nanotubi si distinguono in:
-SWNT (Single Wall Nanotubes), ovvero un
tubo costituito dalla sola parete esterna
- MWNT
(Multi Wall
Nanotubes), costituiti da strati
multipli concentrici
Definizione: SWNT
Un SWNT ideale può essere descritto come un tubo in
carbonio formato da uno strato di grafite arrotolato a
formare un cilindro, chiuso all’estremità da 2 calotte
emisferiche
Definizione: SWNT
Il corpo del SWNT è formato da soli esagoni.
Le singole calotte sono costituite da mezza molecola di
fullerene, pertanto consistono di esagoni e pentagoni
Struttura del SWNT
Fullerene
Le dimensioni caratteristiche sono:
= 0.7 ÷ 10 nm
L/ = 104 ÷ 105 struttura monodimensionale
Definizione: SWNT
Ogni SWNT è caratterizzato da:
o diametro
o “vettore chirale” (n,m) o “elicità”, ovvero la direzione di
arrotolamento della grafite in rapporto all’asse del tubo
Nanotubo (9, 0) “Zig-Zag”
Nanotubo (10, 10) “Armchair”
Definizione: MWNT
Un MWNT è costituito da più SWNT concentrici
Eventuali legami tra le pareti
pare che stabilizzino la crescita
dei nanotubi
DWNT con e senza interazioni tra pareti
PROPRIETÀ
• Proprietà
meccaniche
• Conduttività
• Adsorbimento dei gas e capillarità
• Emissione di campo
• Fluorescenza
PROPRIETÀ MECCANICHE
PROPRIETA’
SWNT
Fibre di
carbonio
MODULO DI
YOUNG
1 TPa
840 GPa
RESISTENZA A
TRAZIONE
30 GPa
5.5 GPa
La resistenza meccanica è dovuta al legame
C-C sp3, uno dei più forti esistenti in natura
La flessibilità è tale da permettere di
piegare i nanotubi ripetutamente fino a
circa 90°, senza romperli o danneggiarli
Proprietà meccaniche
POSSIBILI APPLICAZIONI
Fibre di rinforzo nei materiali compositi ad alte
prestazioni
(in sostituzione delle normali fibre di carbonio, del
kevlar o delle fibre di vetro)
Sonde per i microscopi a effetto tunnel (Scanning
tunnelling)
CONDUTTIVITÀ
PROPRIETA’
SWNT
Rame
CONDUTTIVITA’ ELETTRICA
104 (Ω-cm)-1
0.6106 (Ω-cm)-1
CONDUTTIVITA’ TERMICA
2000 W/mK
400 W/mK
Le buone capacità di conduzione della grafite si ritrovano solo in
parte nei nanotubi, che risultano
IBRIDI ELETTRONICI
Essi si comportano da metallo o da semiconduttore a seconda
della loro geometria, e in particolare del loro diametro
Da qui l’appellativo di “semimetallo” o “semiconduttore a gap
zero”
Conduttività
Le proprietà di conduzione dei
nanotubi possono essere variate
drogandoli con atomi di azoto e di
boro
I nanotubi, in determinate condizioni, possono comportarsi
come conduttori balistici
gli elettroni possono attraversarli da un’estremità all’altra senza
scaldarli
Conduttività
POSSIBILI APPLICAZIONI
“Nanocavi” o “cavi quantici”, che
potrebbero sostituire il silicio, e consentire il
passaggio dalla micro- alla nano-elettronica
“Nanodiodi”, formati da due nanotubi (di cui
un conduttore e un semiconduttore) fusi tra loro
Cannoni elettronici per la produzione di
schermi al plasma ad altissima definizione
CAPILLARITÀ
Forte capillarità
dovuta alla forma
tubolare
+
Elevato rapporto
superficie/peso
rendono i nanotubi ideali per l’adsorbimento di gas
Capillarità
POSSIBILI APPLICAZIONI
Celle a combustibile
IDROGENO
STOCCATO
(kg/dm3)
PERCENTUALE
DI H2 IN PESO
1.64*10-4
100
Idrogeno liquido
0.071
100
Carbone attivo
0.013
0.5
Nanofibre
0.7
63
Nanotubi ossidati
0.05
5
Nanotubi drogati con litio
0.2
20
METODO DI STOCCAGGIO
Idrogeno gassoso (200 atm)
EMISSIONE DI CAMPO
Processo attraverso il quale un dispositivo
emette elettroni, in seguito all’applicazione
di un campo elettrico o un voltaggio.
Nei nanotubi l’emissione di campo si verifica
applicando un potenziale di sole poche
centinaia di volts.
Essi sono in grado di emettere correnti elevate,
dell’ordine di 0.1 mA, una densità di corrente
eccezionale per un oggetto così piccolo.
Emissione di campo
POSSIBILI APPLICAZIONI
I voltaggi relativamente bassi di cui si ha bisogno per
l’emissione di campo nei nanotubi possono essere un
vantaggio in molte applicazioni industriali
Illuminazione e displays
La Samsung ha già prototipato un
flat panel display usando nanotubi
FLUORESCENZA
La fluorescenza si verifica quando una sostanza assorbe
una lunghezza d’onda della luce ed emette una
lunghezza d’onda differente.
I nanotubi assorbono ed emettono luce nello
spettro del vicino infrarosso
APPLICAZIONI
Biosensori ottici basati sui nanotubi potrebbero essere utilizzati per rilevare
targets specifici all’interno del corpo umano, come cellule tumorali o tessuti
infiammati. Si potrebbe avvolgere i tubi con una proteina in grado di legarsi
solo alle cellule target.
METODI DI SINTESI
Arco elettrico
Vaporizzazione laser
Sintesi mediante forno solare
CVD (Chemical vapor deposition)
Tecniche di sintesi
ARCO ELETTRICO
La camera di reazione viene riempita di gas
inerte e successivamente posta sotto vuoto
controllato
Tra gli elettrodi di grafite viene
applicato un potenziale di circa 20 V
Si avvicinano tra di loro i due elettrodi, fino ad avere una scarica
elettrica di 50-200 A
La temperatura tra i due elettrodi raggiunge i 4000°C
il carbonio dell’anodo sublima, in parte sotto forma di
nanotubi
Tecniche di sintesi
VAPORIZZAZIONE LASER
Variazione del metodo ad arco elettrico
La miscela di carbonio e
metallo è vaporizzata tramite
un laser
Percentuali molto più elevate (fino al 70-90%) di nanotubi
Qualità migliore
Tecniche di sintesi
SINTESI MEDIANTE FORNO SOLARE
Sistema che utilizza l’energia solare, concentrata per mezzo di un
forno solare a specchio parabolico, per vaporizzare la grafite
mescolata al catalizzatore (cobalto,nichel, ittrio)
Tecniche di sintesi
CHEMICAL VAPOR DEPOSITION
Consiste nella decomposizione di un gas contenente
carbonio (idrocarburi, CO, etc.) su un catalizzatore
finemente disperso
Unico metodo continuo (o semi-continuo) per la produzione di
nanotubi
possibili applicazioni a livello industriale
Ablazione
laser
CVD
ESEMPI
Arco
elettrico
Soft
lithography
TECNICHE DI PURIFICAZIONE
I nanotubi prodotti sono sempre contaminati da
numerosi elementi indesiderati:
• altre forme di carbonio
• particelle metalliche provenienti dal
catalizzatore
• granuli di supporto (nel caso di CVD)
Tecniche di purificazione
ELIMINAZIONE DI FORME DI CARBONIO
INDESIDERATE
Si utilizzano diversi metodi fisici o chimici:
• Filtrazione
• Centrifugazione o microfiltrazione di soluzioni trattate agli
ultrasuoni
• Cromatografia
• Ossidazione o riduzione selettiva
Tecniche di purificazione
ELIMINAZIONE DELLE PARTICELLE DI
CATALIZZATORE
Metodi chimici:
•Ossidazione
•Trattamento con acidi
Metodi fisici:
•Sublimazione sotto vuoto ad alta temperatura
Tutte le tecniche
risultano comunque
non sufficientemente
selettive
Vengono distrutti anche
i nanotubi!
Tecniche di purificazione
ELIMINAZIONE DELLE PARTICELLE DEL
SUPPORTO
Dopo la crescita CVD su catalizzatore supportato occorre
separare il supporto inerte dai nanotubi prodotti
Metodo chimico
-Trattamento con soluzioni acide (HNO3 , HF), che
dissolvono il supporto;
-filtrazione;
-essiccazione
CONCLUSIONI
Esistono ancora diverse barriere tecnologiche da
superare, prima che le applicazioni su larga scala dei
nanotubi di carbonio approdino sul mercato.
Tuttavia le eccezionali proprietà che li contraddistinguono,
nonché la loro estrema versatilità, ne fanno senza dubbio i
protagonisti di un futuro non troppo lontano
