NANOTUBI IN NANOTUBI IN CARBONIO CARBONIO

Allievo ingegnere ProfessoreAllievo ingegnere ProfessoreRAFFAELLA ATTANASI ANTONIO RAFFAELLA ATTANASI ANTONIO LICCIULLLICCIULLII

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI LECCE

C.D.L. INGEGNERIA DEI MATERIALI

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI CERAMICI

  A.A. 2002/03

Perché i nanotubi

Definizione

Proprietà e Applicazioni

Metodi di Sintesi

Tecniche di Purificazione

Conclusioni

INDICE

Il nanotubo è la fibra più resistente che si conosca sebbene sia circa 50000 volte più sottile di un capello umano

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.

Inoltre possiede delle proprietà elettriche tali da poter probabilmente soppiantare il silicio nella prossima generazione di chip elettronici

MA COSA HA DI SPECIALE UN NANOTUBO?

I nanotubi si distinguono in:

DEFINIZIONE

-SWNT (Single Wall Nanotubes), ovvero un tubo costituito dalla sola parete esterna

- MWNT (Multi Wall Nanotubes), costituiti da strati multipli concentrici

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 nmL/ = 104 ÷ 105 struttura monodimensionale

Definizione: SWNT

Ogni SWNT è caratterizzato da:o diametroo “vettore chirale” (n,m) o “elicità”, ovvero la direzione di arrotolamento della grafite in rapporto all’asse del tubo

Nanotubo (10, 10) “Armchair”

Definizione: SWNT

Nanotubo (9, 0) “Zig-Zag”

DWNT con e senza interazioni tra pareti

Definizione: MWNT

Un MWNT è costituito da più SWNT concentrici

Eventuali legami tra le pareti pare che stabilizzino la crescita dei nanotubi

• Proprietà meccaniche

• Conduttività

• Adsorbimento dei gas e capillarità

• Emissione di campo

• Fluorescenza

PROPRIETÀ

La resistenza meccanica è dovuta al legame C-C sp3, uno dei più forti esistenti in natura

PROPRIETÀ MECCANICHE

PROPRIETA’ SWNT Fibre di carbonio

MODULO DI YOUNG 1 TPa 840 GPa

RESISTENZA A TRAZIONE 30 GPa 5.5 GPa

La flessibilità è tale da permettere di piegare i nanotubi ripetutamente fino a circa 90°, senza romperli o danneggiarli

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)

Proprietà meccaniche

PROPRIETA’ SWNT RameCONDUTTIVITA’ 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

CONDUTTIVITÀ

IBRIDI ELETTRONICI

Essi si comportano da metallo o da semiconduttore a seconda della loro geometria, e in particolare del loro diametroDa qui l’appellativo di “semimetallo” o “semiconduttore a gap zero”

Conduttività

gli elettroni possono attraversarli da un’estremità all’altra senza scaldarli

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

“Nanocavi” o “cavi quantici”, che potrebbero sostituire il silicio, e consentire il passaggio dalla micro- alla nano-elettronica

POSSIBILI APPLICAZIONI

Conduttività

“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

Celle a combustibile

POSSIBILI APPLICAZIONI

Capillarità

METODO DI STOCCAGGIO

IDROGENO STOCCATO

(kg/dm3)

PERCENTUALE DI H2 IN

PESOIdrogeno gassoso (200 atm) 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

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.

POSSIBILI APPLICAZIONI Emissione di campo

La Samsung ha già prototipato un flat panel display usando nanotubi

Illuminazione e displays

I voltaggi relativamente bassi di cui si ha bisogno per l’emissione di campo nei nanotubi possono essere un vantaggio

in molte applicazioni industriali

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

Vaporizzazione laser

Arco elettrico

CVD (Chemical vapor deposition)

Sintesi mediante forno solare

ARCO ELETTRICO

Tra gli elettrodi di grafite viene applicato un potenziale di circa 20 V

La camera di reazione viene riempita di gas inerte e successivamente posta sotto vuoto controllato

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

La miscela di carbonio e metallo è

vaporizzata tramite un laser

Percentuali molto più elevate (fino al 70-90%) di nanotubi Qualità migliore

Variazione del metodo ad arco elettrico

Tecniche di sintesi

SINTESI MEDIANTE FORNO SOLARESistema 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

Unico metodo continuo (o semi-continuo) per la produzione di nanotubi

possibili applicazioni a livello industriale

Consiste nella decomposizione di un gas contenente carbonio (idrocarburi, CO, etc.)

su un catalizzatore finemente disperso

Tecniche di sintesi

Arco elettric

o

Ablazione laser

CVD Soft lithograp

hy

ESEMPI

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)

ELIMINAZIONE DI FORME DI CARBONIO INDESIDERATE

Tecniche di purificazione

Si utilizzano diversi metodi fisici o chimici:

• Filtrazione• Centrifugazione o microfiltrazione di soluzioni trattate agli ultrasuoni• Cromatografia• Ossidazione o riduzione selettiva

ELIMINAZIONE DELLE PARTICELLE DI CATALIZZATORE

Tecniche di purificazione

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!

ELIMINAZIONE DELLE PARTICELLE DEL SUPPORTO

Tecniche di purificazione

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