13 principali applicazioni sensoristiche nanotubi carbonio

La Comunicazione N.R.&N.
Roberto Marani,
Anna Gina Perri
Dipartimento di
Ingegneria Elettrica e
dell’Informazione,
Laboratorio di Dispositivi
Elettronici, Politecnico di
Bari
Principali applicazioni sensoristiche
dei Nanotubi di Carbonio
Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
Sommario: In questo articolo, dopo una breve descrizione delle
proprietà elettroniche dei NanoTubi di Carbonio (CNT), legate alla
possibilità di esibire un comportamento metallico o semiconduttivo in
relazione alla loro geometria, vengono esaminate alcune tra le
principali applicazioni dei CNTs nel campo della sensoristica.
Abstract: In this paper, after a brief review of electronic properties
of Carbon NanoTubes (CNTs), we present some of the main applications
of CNTs in the sensor field.
1. Introduzione
La tecnologia può essere definita come l’insieme dei processi o fasi
di lavorazione necessarie per fabbricare dispositivi e sistemi di
complessità qualunque.
All’avanzare della tecnologia si accompagna l’avanzare del
progresso dove per progresso intendiamo tutto quanto i prodotti della
tecnologia permettono di fare: dispositivi per mezzi di trasporto,
domotica,
applicazioni
medicali,
computazione,
grafica,
telecomunicazioni, creazione di nuovi strumenti per acquisire sapere
(ricerca), educare, ecc.
Lo stato di avanzamento della tecnologia si misura dalla
dimensione minima che un dispositivo può avere perché alla riduzione
delle dimensioni è legato un incremento delle potenzialità o
performance (per esempio della velocità) e delle applicazioni.
Man mano che la tecnologia avanza, le dimensioni minime si
riducono e ci si avvicina sempre più all’ordine di grandezza del
nanometro.
Tuttavia, il passaggio dalle tecnologie micrometriche a quelle
nanometriche (o nanotecnologie) non è banale bensì ricco di
implicazioni.
181
R. Marani, A. G. Perri
Le nanotecnologie, infatti, segnano non una evoluzione ma una
rivoluzione tecnologica e rappresentano la soluzione possibile per non
frenare il progresso.
E’ chiaro, quindi, che hanno un ruolo determinante per il futuro
dell’umanità e per questo sono oggetto di notevoli sforzi di ricerca in
tutto il mondo.
Le nanotecnologie, peraltro, riguardano dispositivi sia elettronici
che optoelettronici ed interessano numerosissime discipline del sapere
umano:
•
Biologia: costruire nanosensori e manipolatori di materia
biologica (stessa scala di dimensioni);
• Medicina: monitoraggio di marcatori per il cancro, rivelatori di
proteine e di virus, somministrazione selettiva di farmaci, nuovi
materiali per impianto di organi, ecc.
• Scienza dei materiali: maggiore resistenza, elasticità, proprietà
strutturali ed elettriche;
• Informazione,
computazione,
comunicazione:
miniaturizzazione dei dispositivi, memorie, microelaboratori,
nuovi algoritmi di calcolo, display flessibili con LED organici.
Passare
dall’attuale
tecnologia
(microelettronica)
alle
nanotecnologie (nanoelettronica) significa cambiare:
Architettura dei dispositivi elementari, ovvero passare dai
tradizionali dispositivi a giunzione a semiconduttore ad altre tipologie
completamente nuove;
Algoritmi computazionali: i nuovi dispositivi nanometrici lavorano
secondo le leggi della fisica quantistica e non della fisica classica oppure
sono basati sui fenomeni di scambio molecolare per cui richiedono
nuove procedure di calcolo;
Materiali e processi di fabbricazione, ovvero utilizzare non più solo
il silicio come materiale per la fabbricazione dei dispositivi e circuiti ma
ricorrere ad altre strutture, quali, ad esempio, i nanotubi di carbonio.
I nanotubi di carbonio, noti anche con l’acronimo di CNTs (Carbon
NanoTubes), stanno infatti suscitando notevole interesse per le loro
singolari proprietà elettroniche e meccaniche e la loro versatilità: essi
sono pertanto oggetto di studio in un ampio ventaglio di discipline che
spaziano dalla fisica dello stato solido, alla chimica e alla biologia, con
confini non ben definiti.
In questo articolo, dopo una descrizione delle proprietà
elettroniche, legate alla possibilità di esibire un comportamento
metallico o semiconduttivo in relazione alla loro geometria, vengono
182
La Comunicazione N.R.& N.
Principali applicazioni sensoristiche dei Nanotubi di Carbonio
Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
esaminate alcune tra le principali applicazioni dei CNT nel campo della
sensoristica.
2. Tecnologie
Il carbonio può esistere in natura sotto varie forme, dette forme
allotropiche, tra cui le più famose sono il diamante e la grafite.
Come è noto, un atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza sugli
orbitali 2s e 2p, che possono facilmente interagire fra di loro a causa
della piccola differenza di energia fra questi orbitali. Un elettrone
dell’orbitale 2s può, cioè, combinarsi con uno, due, tre elettroni
dell’orbitale 2p dando origine alle cosiddette ibridazioni sp, sp2 ed sp3.
Nel caso del diamante, tutti e 4 gli elettroni sono regolarmente
accoppiati con gli elettroni di altri atomi di carbonio, formando così una
struttura tetraedrica (ibridazione sp3). Questo tipo di legame è molto
forte, ed è per questo che il diamante è così duro.
La grafite, invece, riesce ad accoppiare stabilmente solo tre
elettroni su quattro (ibridazione sp2), e lascia il quarto elettrone libero.
Ogni atomo di carbonio è legato ai tre atomi di carbonio adiacenti
mediante legami covalenti di tipo σ (cioè localizzati lungo la direzione
interatomica), che sono sullo stesso piano, con angoli tra loro di 120°.
Tanti atomi tutti insieme danno origine pertanto ad una struttura
planare, denominata grafene, riempita da esagoni i cui vertici sono,
appunto, gli atomi di carbonio. Il quarto elettrone si trova nell’orbitale
di tipo π (legame metallico tra i piani), che presenta lobi ortogonali al
piano del foglio di grafene. Le proprietà elettroniche dei nanotubi
possono essere studiate tenendo conto della relazione di dispersione
dell’energia per gli elettroni degli orbitali π.
Nella Fig. 1 è mostrato uno strato di grafite, con tutti gli atomi
legati tra loro.
Figura 1. Struttura planare
della grafite.
La grafite è formata da un'infinità di questi strati sovrapposti.
Poiché tutti gli elettroni, che non si sono accoppiati, stanno tra uno
183
R. Marani, A. G. Perri
strato e l'altro, i vari strati di grafite scivolano molto facilmente l'uno
sull'altro, rendendo la grafite morbida e friabile. Fino al 1985 erano
note solamente le due suddette forme di carbonio cristallino.
Gli studi dello scienziato americano Richard Smalley hanno portato
alla scoperta di una terza forma di arrangiamento regolare degli atomi
di carbonio: quella dei fullereni, chiamati così in onore dell’architetto
R. Buchminster-Fuller, le cui creazioni, chiamate “cupole geodetiche”
ricordano la struttura dei fullereni. Difatti i fullereni sono delle
“gabbie” approssimativamente sferiche formate da un arrangiamento
ordinato di strutture esagonali e pentagonali di atomi di carbonio.
Il primo fullerene scoperto è il C 60 (cfr. Fig. 2), che ha la stessa
forma di un pallone da calcio ed è per questo noto anche con il nome
di “buckyball”.
La storia dei nanotubi di carbonio ha origine nel 1991, con la
scoperta del giapponese Iijima [1] del laboratorio NEC di Tsunuba,
della possibilità di legare dei fullereni per formare strutture a forma di
tubi chiusi alle estremità, del diametro di pochi nanometri. Egli infatti
osservò, casualmente, dei filamenti di dimensioni nanometriche in un
residuo di fuliggine originato dalla vaporizzazione di grafite usata per
la produzione di fullereni.
Queste strutture lunghe e sottili furono chiamate nanotubi.
I nanotubi di carbonio possono essere pensati come fogli di grafite
arrotolati in forma cilindrica. La maggior parte dei nanotubi consiste di
diversi cilindri concentrici indicati come nanotubi a parete multipla
(Multi Wall Carbon NanoTubes, MWCNT, cfr. Fig. 3), ma esistono anche
nanotubi formati da un singolo strato (Single Wall Carbon NanoTubes,
SWCNT, cfr. Fig. 4), chiusi alle due estremità da due calotte emisferiche
[2-3].
184
Figura 2. Fullerene tipo
C60.
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Principali applicazioni sensoristiche dei Nanotubi di Carbonio
Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
La Fig. 5 mostra il reticolo ad alveare del foglio di grafene. Si sono
scelti, come vettori del reticolo primitivo, a1 e a 2 che definiscono un
parallelogramma costituente la cella unitaria primitiva.
Un nanotubo di carbonio può essere costruito avvolgendo il foglio
in modo tale che l’origine (0,0) coincida con uno dei siti equivalenti del
reticolo (ad esempio il punto C della Fig. 5a).
Il vettore chirale o di avvolgimento:
C = n a 1 + ma 2
(1)
è specificato dalla coppia di interi (n, m).
Figura 3. Tipi di MWCNT
Figura 4. Struttura di un
SWCNT ideale
Figura 5. Foglio di
grafene con indicazione
del vettore chirale e del
vettore di traslazione
185
R. Marani, A. G. Perri
L’avvolgimento lungo le linee tratteggiate dà origine a due
particolari categorie di nanotubi:
•
•
quelli di tipo armchair (n = m, φ = 0°)
quelli del tipo zig-zag (m = 0, φ = 30°)
L’angolo φ è detto angolo chirale e rappresenta l’angolo tra il
vettore di traslazione T ortogonale al vettore chirale e il vettore H
ortogonale alla direzione armchair.
Per angoli chirali 0°< φ <30°, il nanotubo è indicato, più
genericamente, come di tipo chirale.
Le proprietà elettroniche dei nanotubi dipendono fortemente
dalla chiralità del nanotubo, cioè dagli indici n ed m, con 0 ≤ m ≤ n
per ragioni di simmetria legate al reticolo ad alveare: valori di m al di
fuori di questo range forniscono valori già ottenuti [4-5].
Il vettore chirale è legato al diametro d del nanotubo dalla
relazione:
d=
C a
=
n 2 + m 2 + nm
π π
(2)
L’angolo chirale è determinabile attraverso la seguente relazione:
cos ϕ =
(n + m )
3
2 n + m + nm
2
2
(3)
I valori di n ed m determinano quindi la torsione del nanotubo che
influenza la sua conduttanza, la densità, la struttura del reticolo ed
altre proprietà.
Un SWCNT è considerato metallico se il valore n-m è divisibile per
tre. Altrimenti il nanotubo è considerato semiconduttore.
Di conseguenza, quando i nanotubi sono caratterizzati da valori
casuali di n ed m dovremmo aspettarci che due terzi del nanotubo
saranno semiconduttori e l’altro terzo metallico.
In Fig. 6 sono rappresentati i tre tipi di nanotubi descritti.
Per studiare le proprietà elettroniche dei nanotubi, si rimanda ai
testi proposti in bibliografia [4-6]. In particolare le proprietà di
conducibilità della maggior parte dei solidi periodici possono essere
espresse in base all’approssimazione dell’elettrone fortemente legato
(tight binding approximation), in cui si parte dalla funzione d’onda per
un elettrone in un atomo libero e si costruisce poi una funzione orbitale
del cristallo, ossia una funzione di Bloch che descrive l’elettrone nel
campo periodico dell’intero cristallo [7-10].
186
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Principali applicazioni sensoristiche dei Nanotubi di Carbonio
Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
La Fig. 7a mostra la rappresentazione tridimensionale della
cosiddetta equazione di dispersione relativa al foglio di grafene [7].
(a)
(b)
Come si può osservare, il suddetto grafico è formato da due grandi
“tende”: la “tenda” superiore è un’immagine della banda di
conduzione, quella inferiore rappresenta la banda di valenza.
Figura 6. Schemi delle tre
tipologie
di
nanotubi:
dall'alto in basso armchair
(n, n), a zig-zag (n, 0), e
chirale (n, m).
Figura 7. a) Diagramma
della relazione di
dispersione per il grafene;
b) punti K
Inoltre si rileva come, in corrispondenza dei vertici dell’esagono, le
due bande si tocchino: tali punti sono noti con il nome di punti K e
sono responsabili delle proprietà elettroniche del grafene (cfr. Fig. 7b).
L’energia di Fermi E F è così ridotta a questi sei punti.
Se le linee di quantizzazione relative al foglio di grafene avvolto a
cilindro attraversano i punti K, il nanotubo presenterà un
comportamento metallico, perché avrà bandgap nullo, altrimenti si
comporterà come un semiconduttore [10].
187
R. Marani, A. G. Perri
In particolare, se:
•
n - m = 3l
con l'intero, il nanotubo ha
comportamento metallico;
il nanotubo si comporta da
•
n - m ≠ 3l
semiconduttore.
L’analisi sperimentale delle proprietà elettroniche dei nanotubi
viene condotta utilizzando il sistema mostrato in Fig. 8.
Su un nanotubo vengono fatti accrescere due contatti metallici di
oro o platino, che fungono da source e drain mentre il nanotubo da
gate.
2.a Proprietà elettriche dei nano tubi metallici
La resistenza di un SWCNT metallico a temperatura ambiente può
variare in maniera significativa, oscillando da circa 6 KΩ a valori di
diversi MΩ. La maggior parte di queste variazioni sono dovute alle
variazioni della resistenza di contatto tra gli elettrodi ed il tubo.
E’ stato notato che i valori di conduttanza si avvicinano al valore G
= 4e2/h in cui e è la carica dell’elettrone e h è la costante di Planch.
Sperimentalmente si è visto che, per bassi valori di V sd (tensione
source-drain), la conduttanza è all’incirca 2e2/h, crescendo fino al
valore 3.4e2/h quando la temperatura viene diminuita. Assumendo
contatti perfetti, questo indica che il libero cammino medio è almeno ~
1μm a temperatura ambiente e aumenta man mano che il dispositivo
viene raffreddato.
Questi valori corrispondono a quelli che si hanno con una resistività
a temperatura ambiente pari a ρ ~ 10-6cm.
La conducibilità di un nanotubo metallico può, quindi, essere pari,
o persino più grande, a quella dei migliori metalli.
188
Figura 8. Sistema usato per
l’analisi sperimentale delle
proprietà elettriche dei CNT
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2.b Proprietà elettriche dei nanotubi semiconduttori
La Fig. 9 mostra le misure della conduttanza di un SWCNT
semiconduttore in funzione della tensione di gate V g applicata al
substrato conduttore.
Il nanotubo conduce per valori negativi di V g mentre è spento per
valori positivi di V g .
La resistenza cambia tra lo stato “on” ed “off” di diversi ordini di
grandezza.
Per elevate tensioni positive di V g , si è osservata talvolta una
conduttanza di tipo n, specialmente nei nanotubi con grande diametro.
La conduttanza nelle regioni di tipo n è inferiore a quella delle regioni
di tipo p, dato il valore della funzione lavoro degli elettrodi in oro. Il
livello di Fermi dell’oro si allinea con la banda di valenza del SWCNT,
stabilizzando un contatto di tipo p con una barriera per l’iniezione degli
elettroni.
I nanotubi semiconduttori sono tipicamente di tipo p per V g = 0 a
causa dei contatti e anche perché alcune specie chimiche, come
l’ossigeno, vengono assorbite dal tubo ed agiscono come deboli
droganti di tipo p.
Figura 9. Valori della
conduttanza G in funzione
della tensione di Gate Vg
Inoltre, dalla Fig. 9 si può notare come la conduttanza inizialmente
aumenta linearmente con V g man mano che le lacune vengono
iniettate nel nanotubo. Ad alti valori di V g , la conduttanza smette di
aumentare ed assume un andamento costante. Questa saturazione
189
R. Marani, A. G. Perri
nella conduttanza è dovuta sia al nanotubo sia alle resistenze di
contatto tra gli elettrodi metallici e il nanotubo.
A regime, quando la conducibilità G aumenta linearmente con V g ,
le proprietà del dispositivo possono essere descritte dalla relazione:
G=
µC 'g ( Vg − VT )
(4)
L
dove C 'g è la capacità per unità di lunghezza del tubo, V T è la tensione
di soglia e
 è la mobilità.
Usando questa relazione possiamo dedurre sperimentalmente la
mobilità del nano tubo.
3. Alcune tra le principali applicazioni dei CNT nel campo della
sensoristica
3.a Sensori chimici
Dato che la conduttanza dei nanotubi dipende fortemente dalla
struttura atomica, drogaggio chimico e condizioni ambientali, è
possibile utilizzare i CNT come sensori chimici [11].
Infatti essi sono in grado di individuare piccole concentrazioni di
molecole di gas come diossido di azoto (NO 2 ) e ammoniaca (NH 3 ) a
temperatura ambiente.
Si è rilevato che per un SWCNT semiconduttore esposto a 200 ppm
di NO 2 la conduttanza elettrica può aumentare di tre ordini di
grandezza in pochi secondi. Al contrario l’esposizione al 2 % di NH 3
provoca una diminuzione della conduttanza di circa due ordini di
grandezza (cfr.
Fig. 10).
Misure su un SWCNT (10,0) in ambiente NO 2 hanno condotto alle
seguenti considerazioni: le molecole di NO 2 si legano al nanotubo con
trasferimento di carica dall’atomo di C alla molecola di NO 2 , che porta
ad un drogaggio di tipo p del nanotubo semiconduttore. L’aumento
delle lacune nel SWNT è responsabile dell’incremento della
conduttanza rilevato.
Per un sistema a SWCNT e NH 3 il trasferimento di carica è dal NH 3 al
nanotubo e porta ad un drogaggio di tipo n corrispondente alla
diminuzione della conduttanza mostrata in Fig. 10.
190
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Un risultato molto importante è stato trovato per l’H 2 O: la
configurazione molecolare mostra un interazione repulsiva e nessun
trasferimento di carica quando la molecola di acqua è vicina alla
superficie del nanotubo. Questo risultato è consistente con
l’osservazione sperimentale che la conduttanza del nanotubo non
cambia significativamente quando esso è completamente immerso in
acqua e questo dà l’importante possibilità di usare i SWCNT come
sensori biochimici operanti in acqua a temperatura fisiologica.
Figura 10. Variazioni della
conduttanza del nanotubo
quando esposta a NO2 e
NH3
Una struttura EIS (Electrolyte Insulator Semiconductor) può essere
usata per misurare le concentrazioni ed i tipi di ioni. In un tipico
sensore EIS viene applicata una differenza di potenziale al back-gate del
semiconduttore, il quale attira gli ioni presenti nell’elettrolita verso la
superficie dell’ossido. La disposizione degli ioni in risposta ad una
specifica V g è determinata dalle dimensioni e dalla carica degli ioni.
Misurando la capacità di gate C g in funzione di V g si possono trovare sia
la concentrazione che la specie dello ione.
191
R. Marani, A. G. Perri
3.b Eliminazione dei gas tossici
I nanotubi, a differenza del carbonio attivo, permettono una
maggiore interazione tra la loro superficie interna e le molecole di gas
tossici che possono scorrere al loro interno [12]. Questa proprietà è
importante per l’assorbimento dei gas di scarto nelle produzioni
industriali come la diossina, sottoprodotto altamente inquinante per
aria, terreno, acqua e tutta la catena alimentare.
3.c Applicazioni in acustica
Alcuni ricercatori, nello sforzo di produrre un nuovo microfono più
sensibile, hanno cercato di imitare la natura. E’ stato quindi sviluppato
un dispositivo che può essere definito come una “coclea artificiale”
[13].
In questo apparato vengono usati vettori di nanotubi come le
cellule cigliate del nostro apparato uditivo. Il loro movimento e quindi
le loro vibrazioni dovute all’urto delle onde sonore vengono
trasformate in segnali elettrici. Lo stesso fenomeno è sfruttato nelle
comuni membrane usate nei microfoni, ma esistono sostanziali
differenze tra i due casi. Mentre le ultime più sono piccole, meno
risentono delle onde sonore più lievi, le ciglia a nanotubi vibrano anche
se sottoposte a suoni più gravi. Inoltre i nanotubi presentano una
naturale direzionalità: essi si piegano allontanandosi dalla sorgente del
suono. Questo è molto importante perché si può ottenere
un’informazione direzionale con un solo sensore a differenza dei
comuni dispositivi o dell’apparato uditivo umano, che ha bisogno
necessariamente di due orecchi.
Inoltre l’abilità dei nanotubi di operare in aria, a differenza di tutte
le ciglia naturali che operano in un liquido, permette di eliminare ogni
complesso apparato che simula l’interfaccia aria-liquido dei sistemi
naturali.
La stessa tecnologia può essere sfruttata per le applicazioni militari
(costruzione di sensori per intercettare sottomarini) o per le
applicazioni mediche (nuovi stetoscopi che possono navigare nel flusso
sanguigno e riconoscere eventi biochimici non scopribili altrimenti).
3.d Applicazioni spaziali
E’ noto che le navicelle spaziali nei loro viaggi nel cosmo sono
sottoposti a probabili collisioni con micrometeoriti, che potrebbero
danneggiare la loro struttura compromettendo la vita di chi è
all’interno.
192
La Comunicazione N.R.& N.
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Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
Vi è inoltre la continua esposizione a radiazioni cosmiche altamente
nocive per la salute e la presenza di ossigeno atomico altamente
reattivo, che tende ad attirare atomi di carbonio, idrogeno e azoto
(esso è capace, come è stato dimostrato, di distruggere oggetti in
orbita delle dimensioni di un autobus).
Sembra che l’uso dei nanotubi di carbonio possa sopperire a tutte
queste difficoltà [14]: è possibile, infatti, equipaggiare le nuove
astronavi con una fitta rete di nanotubi, attraverso i quali viaggiano
messaggi che informano un computer centrale sullo stato di ogni
piccola parte della struttura costituente la navicella. Sarebbe così
possibile, allo stesso modo di una reazione epidermica, cicatrizzare le
superfici se dovessero subire un danno. Questa rete, oltre ad
alleggerire la struttura del mezzo, può essere utilizzata per contenere
idrogeno liquido in uno spessore molto piccolo per schermare
l’equipaggio dalle radiazioni cosmiche.
3.e Applicazioni nelle celle a combustibile
Le eccezionali proprietà di adsorbimento dei nanotubi sono
approfondite anche in vista di una eventuale applicazione nelle celle a
combustibile per lo stoccaggio dell’idrogeno andando a rimpiazzare i
comuni sistemi basati su bombole, idruri e carboni attivi, che
richiedono alte pressioni e basse temperature per poter immagazzinare
una sufficiente quantità di idrogeno. In questo caso verrebbero usati
nanotubi drogati con litio e potassio dato il successo di alcuni
esperimenti a differenza di altri, che non hanno avuto in seguito
conferme, dai quali emergeva che l’adsorbimento di idrogeno arrivava
fino al 30% del peso del carbonio adsorbente.
3.f Nanomolle e nanobilance
Un gruppo di ricercatori è riuscito a costruire un MWCNT come se
fosse un tubo telescopico: due nanotubi coassiali che riescono a
scorrere l’uno dentro l’altro. Un nanotubo come questo può essere
utilizzato come un nanoammortizzatore o nanomolla nelle
nanomacchine, applicazione che ora potrebbe risultare fantascientifica.
Inoltre, i nanotubi sono molto sensibili ai campi elettrici, sottoposti
ai quali cominciano a vibrare e, controllando la frequenza di
oscillazione, è possibile portarli in risonanza. Questa proprietà può
essere sfruttata per la costruzione di nanobilance, utili nella misura di
corpi con massa nell’ordine dei femtogrammi.
3.g Monitor a nanotubi di carbonio
Dato che gli CNT si presentano inerti, essi possono essere più stabili
e più pratici rispetto alle comuni sorgenti di immissione di elettroni
193
R. Marani, A. G. Perri
(metalliche o inorganiche) per stimolare l’emissione di luce colorata sui
pannelli sottili.
Nei dispositivi reali, gas residui possono essere ionizzati e gli ioni
derivanti possono bombardare la punta dell’emettitore di elettroni
facendolo scoppiettare e rendendolo meno efficiente.
I nanotubi, invece, resistono a questo tipo di fenomeno: in questo
modo potremo avere dei monitor piatti molto più durevoli.
3.h Nanotubi come catodi negli apparecchi a raggi X
I nanotubi di carbonio possono rimpiazzare i filamenti metallici
utilizzati nei tradizionali apparecchi a raggi X, che necessariamente
devono essere portati ad elevate temperature prima di essere
sottoposti a campo elettrico [15].
I potenziali vantaggi di questa sostituzione sono numerosi:
•
•
i nanotubi possono funzionare a temperatura ambiente
le macchine possono essere fabbricate più piccole e
persino portatili e possono essere più efficienti e meno
costose.
3.i Nanotubi antibatterici
È stata scoperta una classe di nanotubi che possono essere
utilizzati come farmaci per combattere alcune infezioni batteriche
dovute a batteri che hanno sviluppato una certa resistenza ai
tradizionali antibatterici.
Questi tubi sono avvolti da catene di aminoacidi che possono
attaccare e crescere sulle pareti delle cellule e, pungendole,
permettono di tirare fuori ogni loro componente critico. Essi, inoltre,
possono essere anche generati in modo tale da attaccare e uccidere
solo specifici agenti patogeni.
In merito sono stati condotti con effetti positivi esperimenti su topi
per curare una letale infezione da una razza di stafilococchi resistenti
agli antibatterici.
3.l Muscoli artificiali
La sintesi di nanotubi lunghi come un capello (8 cm) ha aperto le
porte alla realizzazione di robusti azionatori per muscoli artificiali [1618].
194
La Comunicazione N.R.& N.
Principali applicazioni sensoristiche dei Nanotubi di Carbonio
Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
I nuovi attuatori utilizzano fogli di SWCNT come elettrodi di un
condensatore imbevuti di elettrolita (cfr. Fig. 11).
Nella Fig. 11(A), un potenziale applicato inietta cariche opposte nei
due elettrodi immersi in un elettrolita solido o liquido. Queste cariche
vengono completamente bilanciate dagli ioni provenienti
dall’elettrolita.
Dipendentemente dal numero di nanotubi per elettrodo e da
potenziale applicato, si possono avere deformazioni meccaniche in fase
o fuori fase.
La Fig. 11(B) mostra l’iniezione di cariche in un elettrodo a fascio di
nanotubi.
La Fig. 12 mostra un attuatore immerso in una soluzione acquosa di
NaCl, costituito da due strisce di SWCNT tenute insieme da una striscia
di scotch tape (zona bianca tra le due strisce grigie).
Figura 11. Illustrazione
schematica dell’iniezione di
cariche in un attuatore
elettromeccanico a
nanotubi di carbonio
Figura 12.Schematizzazione
di un attuatore a trave a
sbalzo
195
R. Marani, A. G. Perri
Quando viene applicata una tensione, le due strisce si muovono
verso destra o sinistra, rispetto alla fase di rilassamento, che è quella
rappresentata al centro.
La deformazione meccanica del CNT può essere descritta dal
coefficiente di strain S v , definito come rapporto tra la variazione di
tensione di deformazione e la variazione di potenziale applicato
all’elettrodo [5]. Si è visto sperimentalmente che differenze di
potenziale di pochi volt generano grandi deformazioni, rendendo
questi nuovi attuatori più convenienti rispetto ai convenzionali
attuatori ferroelettrici.
3.m SW-CNTFET per la riconoscimento di sequenze di DNA
In generale un biosensore è un particolare trasduttore costituito da
un elemento sensibile, biologicamente attivo (enzimi, cellule, anticorpi
ecc.) e da una parte elettronica. Il principio di funzionamento è molto
semplice: l'elemento biologico interagisce con il substrato da analizzare
e un sistema di trasduzione (sensore) converte la risposta biochimica in
un segnale elettrico.
Le attuali tecniche di biomonitoraggio sono molto selettive e
specifiche ma, al tempo stesso, difficili da miniaturizzare. Biosensori
basati sui nanotubi formati da un singolo strato (SWCNTs) sono
intrinsecamente portati alla miniaturizzazione, visto le peculiari
caratteristiche strutturali e di conduzione dei nanotubi. Essi infatti
manifestano un significativo cambio di conduttanza in risposta alla
presenza di piccole biomolecole e proteine e per questo si considerano
come versatili mezzi per la costruzione di biosensori.
In particolare sono stati progettati biosensori, basati su SWCNTFET, molto promettenti per la rilevazione di varie specie biologiche
come DNA, proteine e cellule. Infatti, nell’ambito della ricerca
biomedica il riconoscimento di sequenze di DNA consente di stabilire la
mappa genetica di un soggetto e, sulla base di questa, conoscere la
propensione verso determinate malattie (utile a scopo preventivo),
eventuali malattie latenti in atto, la reazione soggettiva ai farmaci
(utilissima per effettuare un dosaggio personalizzato di qualunque
farmaco), ecc.
Come è noto [5], il transistore ad effetto di campo su nanotubo di
carbonio, noto con l’acronimo di CNTFET (Carbon NanoTube Field
Effect Transistor), ampiamente analizzato e caratterizzato [19-26], è un
FET, che utilizza un singolo nanotubo di carbonio (SW) o una serie di
196
La Comunicazione N.R.& N.
Principali applicazioni sensoristiche dei Nanotubi di Carbonio
Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
nanotubi di carbonio (MW) come materiale del canale al posto del
tradizionale silicio.
Poiché le caratteristiche dei nanotubi di carbonio dipendono
fortemente dalla loro chiralità, dal diametro e dal drogaggio, le
caratteristiche dei CNTFET possono essere controllate scegliendo la
morfologia appropriata del CNT.
I nanotubi semiconduttori a singola parete sono i più impiegati per
la realizzazione del canale del CNTFET, perché, in tal modo, le
caratteristiche elettroniche del dispositivo non sono influenzate dalle
pareti interne.
Il funzionamento dei SWCNT-FET, come biosensori per la
rilevazione del DNA, è basato sul fenomeno dell’ibridazione.
Come è noto [27], l'ibridazione è l'appaiamento complementare di
due filamenti di DNA oppure di un filamento di DNA e l'altro di acido
ribonucleico (RNA) ed è una forma di riconoscimento molecolare
estremamente specifica.
Per mezzo dell’ibridazione si possono formare delle doppie eliche
di DNA-DNA, DNA-RNA o RNA-RNA. La condizione fondamentale
perché ciò avvenga è che in soluzione si mettano molecole con
sequenza complementare (antiparallele).
In particolare viene sfruttata la proprietà del DNA di dissociare e
riassociare i due filamenti della doppia elica, insieme alla possibilità di
sintetizzare molecole di DNA "marcate". All’interno di una miscela di
DNA si può infatti identificare un frammento che porta una sequenza
nota facendolo ibridare a un filamento di DNA marcato che abbia la
sequenza complementare.
Sulla base di queste considerazioni, in [28] è stato progettato un
sensore SWNT-FET a DNA, in grado di rilevare campioni con
concentrazioni pico o micromolari di DNA.
In particolare è stato dimostrato [28] che il singolo filamento di
DNA interagisce attraverso legami non covalenti con il SWCNT ed
inoltre è in grado di formare un ibrido stabile con il singolo CNT
avvolgendosi intorno ad esso (cfr. Fig.13).
197
R. Marani, A. G. Perri
Figura 12.
Schematizzazione di un
attuatore a trave a sbalzo
Più precisamente il meccanismo consiste in una fase di ibridazione
tra il DNA assorbito sulla superficie del nanotubo e un DNA target,
portando ad una riduzione della conduttanza del SWCNT-FET, poichè il
filamento di DNA sul nanotubo, dopo l’ibridazione, genera carica nel
SWCNT con conseguente variazione della conduttanza del FET.
Conclusioni
In questo articolo, dopo una breve descrizione delle proprietà
elettroniche dei nanotubi di carbonio, sono state esaminate alcune tra
le principali applicazioni dei CNT nel campo della sensoristica. Tra le
varie applicazioni esaminate emergono i biosensori ed i muscoli
artificiali (assemblaggi di vettori di miliardi di singoli nanoattuatori),
che, se utilizzati per avvolgere il cuore di un paziente ammalato per
supportare i muscoli cardiaci, potrebbero servire come ponte in un
trapianto o per ovviare ad un necessario trapianto di cuore.
198
La Comunicazione N.R.& N.
Principali applicazioni sensoristiche dei Nanotubi di Carbonio
Main Sensor applications of Carbon Nanotubes
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