Applicazioni


A partire dalla scoperta dei nanotubi da parte di Iijima [16], numerosi studi sono stati effettuati per determinare le loro proprietà fisiche e chimiche, sia per sperimentazione diretta sui campioni, sia utilizzando delle simulazioni al computer. Allo stesso tempo i ricercatori stanno sviluppando dei sistemi efficaci per poter sfruttare queste proprietà in vista di un'applicazione pratica.


Sfruttando le proprietà meccaniche

La resistenza meccanica di un manufatto dipende da numerosi fattori, tra i quali i più importanti sono la forza dei legami atomo - atomo del materiale costruttivo e l'assenza di difetti strutturali nel reticolo cristallino. Per portare a rottura un nanotubo privo di difetti occorre quindi spezzare tutti i legami covalenti carbonio -carbonio che lo compongono. Essendo questi i legami più forti conosciuti in natura ne consegue che i nanotubi dovrebbero avere una resistenza meccanica elevatissima. Una fibra costituita da nanotubi di carbonio sarebbe quindi non solamente la più resistente mai fatta, ma addirittura la più resistente che sia possibile fare. [17]
L’inserimento di nanotubi in un materiale, per esempio polimerico potrebbe potenzialmente esaltarne la sua resistenza. Il raggiungimento di tale risultato dipende dalla possibilità di disperdere uniformemente i nanotubi nella matrice, generare una buona adesione nanotubo-matrice in modo da trasmettere in maniera efficace lo sforzo, evitare lo scorrimento dei tubi concentrici negli MWNT e dei fasci di SWNT. A tale proposito sono stati riportati alcuni promettenti risultati; per esempio, Biercuk ed altri hanno osservato un aumento monotono di resistenza alla penetrazione (durezza di Vickers) fino a 3.5 volte per una carica al 2% di SWNT e un raddoppio della conducibilità termica con 1% di SWNT. Inoltre, 1% di MWNT nel polistirolo aumenta la sollecitazione di rottura del 25%. [18]
Un'applicazione che per il momento potrebbe apparire fantascientifica è l'uso dei nanotubi per la costruzione di nanomacchine.
Un gruppo di fisici dell'università di Berkeley è riuscito ad utilizzare un MWNT come se fosse un tubo telescopico (Figura 1), facendo uscire e rientrare più volte le pareti più interne in quelle esterne [19]. Un nanotubo di questo tipo potrebbe essere usato come "nano-molla" o "nanoammortizzatore" in una macchina di dimensioni nanometriche [20].

Figura 1


Sfruttando la sensibilità ai campi elettrici

I nanotubi possono essere trattati in maniera da diventare estremamente sensibili alla presenza di intensi campi elettrici. Essi reagiscono a tali campi piegandosi fino a 90°, per riprendere la forma originale non appena il campo elettrico viene interrotto, senza subire danneggiamenti. Applicando un campo elettrico oscillante, i nanotubi vibrano e, controllando attentamente la frequenza di oscillazione, è possibile portarli a risonanza come se fossero le corde di una "nanochitarra". Le sperimentazioni in tal senso hanno dimostrato che ogni nanotubo ha una sua precisa frequenza di risonanza, dipendente dalla lunghezza, dal diametro e dalla morfologia. Tale interessante proprietà potrebbe essere sfruttata in numerose applicazioni di nanotecnologia, ad esempio per la creazione di nanobilance (nelle quali il nanotubo vibrante avrebbe la funzione di molla) che potrebbero misurare corpi aventi peso dell'ordine dei femtogrammi (Figura 2). [21]

Figura 2


Sfruttando la conduttività

Le proprietà di conduzione dei nanotubi possono essere variate "drogando" gli stessi, ovvero inserendo nella loro struttura degli atomi di azoto e di boro (Figura 3). Tra i risultati più interessanti in questo campo vi è la realizzazione di nanodiodi, formati da due nanotubi (di cui un conduttore e un semiconduttore) fusi tra loro, che agisce come un normale diodo, facendo passare corrente in un senso e non nell’altro.
La dispersione di basse concentrazioni di MWNT in matrici polimeriche genera una sostanziale diminuzione della resistività elettrica superficiale e un aumento della conducibilità. Ciò è molto utile se si considera che i polimeri usati nella produzione di componenti elettronici sono isolanti e in essi la carica può accumularsi con possibili danni dovuti alla scarica elettrostatica. [5] L'aggiunta di nanotubi di carbonio permette di ottenere polimeri ad elevata conduttività senza modificare le altre proprietà, ma addirittura preserva dalla degradazione caratteristiche come le proprietà meccaniche e la bassa viscosità del polimero allo stato fuso. In base alla matrice polimerica, si può ottenere una conducibilità compresa tra 0,01 e 0,1 S/cm con una carica del 5% di nanotubi, valore superiore al minimo necessario per dissipare la carica elettrostatica.[21]
Le buone proprietà elettriche e la forma allungata fanno dei nanotubi degli emettitori di elettroni quasi ideali. E' noto che è possibile estrarre elettroni da un conduttore sottoponendolo ad una differenza di potenziale sufficientemente elevata: questo fenomeno è detto emissione per effetto di campo. Il processo di emissione viene favorito anche dalla forma del materiale: in particolare oggetti appuntiti o rugosi emettono più facilmente a causa dell'intensificazione locale del campo elettrico di estrazione nelle vicinanze di una punta. Le applicazioni di materiali emettitori per effetto di campo sono vastissime e spaziano dalla realizzazione di schermi piatti( soppiantando i tubi catodici) a quella di componenti elettronici, interruttori, lampade a fluorescenza, microscopi elettronici.[22]

Figura 3- Nanotubo-BN


Sfruttando la capacità di adsorbimento e la capillarità

A causa della loro forma tubolare, i nanotubi mostrano delle forti proprietà di capillarità [23], e il loro grande rapporto superficie/peso li rende teoricamente ideali per l'adsorbimento dei liquidi e dei gas. In entrambi i casi è necessario aprire le estremità dei tubi per permettere al liquido o al gas di entrare. Questa apertura può essere effettuata mediante ossidazione con ossigeno, CO oppure acidi ossidanti come HNO3 o H2SO4. [24]
Le proprietà di adsorbimento dei nanotubi di carbonio sono state studiate soprattutto nel caso dell'adsorbimento dell'idrogeno, in particolare in vista di un suo possibile uso nelle "celle a combustibile", dato che tutti i sistemi fino ad oggi utilizzati per lo stoccaggio dell'idrogeno (bombole, idruri, carboni attivi) richiedono di lavorare ad alta pressione e bassa temperatura per poter immagazzinare una sufficiente quantità di idrogeno.
Gli studi sulla capacità di adsorbimento di idrogeno da parte di nanotubi e nanofibre hanno dato risultati diversi e talvolta addirittura contraddittori: infatti numerose dichiarazioni riguardo gli elevati livelli di stoccaggio dell'idrogeno si sono rivelate scorrette; altri studi circa la capacità di stoccaggio superiore al 20-30% del peso del carbonio adsorbente, a temperatura ambiente, non hanno trovato conferma. [21]
I nanotubi trovano anche applicazioni all'interno dei supercondensatori, accumulatori in grado di immagazzinare grandi quantità di energia, fornirla e ricaricarsi molto velocemente. Queste caratteristiche sono dovute ai loro elettrodi composti di materiali di carbonio nanostrutturato ad alta porosità e quindi alta superficie efficace. Essi sono quindi in grado di fornire capacità elevatissime mediante dispositivi di ridotte dimensioni e peso. [22]

Sensori chimici

Dato che la conducibilità dei nanotubi dipende fortemente dalla struttura atomica, drogaggio chimico e condizioni ambientali, è possibile utilizzare i nanotubi come sensori chimici. Infatti essi sono in grado di rilevare piccole concentrazioni di molecole di gas come diossido di azoto (NO2) e ammoniaca (NH3) a temperatura ambiente. Si è rilevato che per un SWNT semiconduttore esposto a 200 ppm di NO2 la conducibilità elettrica può aumentare di tre ordini di grandezza in pochi secondi. Al contrario l'esposizione a concentrazioni di NH3 dell’ordine del 2% provoca una diminuzione della conducibilità di circa due ordini di grandezza. Il meccanismo di funzionamento si basa sul fatto che le molecole di NO2 si legano al nanotubo con trasferimento di carica dall'atomo di C alla molecola di NO2: questo corrisponde ad un drogaggio di tipo p del nanotubo semiconduttore; l'aumento delle lacune nel SWNT è responsabile dell'incremento della conduttanza. Per un sistema a SWNT e NH3, il trasferimento di carica è da NH3 al nanotubo e corrisponde ad un drogaggio di tipo n. [21]

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