I nanotubi di carbonio sono stati scoperti nel 1985 dal chimico statunitense Richard E. Smalley, il quale si accorse che, in particolari situazioni, gli atomi di carbonio compongono delle strutture ordinate di forma sferica: i fullereni. La struttura, dopo un successivo rilassamento, tende ad arrotolarsi su sé stessa, ottenendo la tipica struttura cilindrica. Possono essere visti, analogamente al fullerene, come una delle forme allotropiche del carbonio.
Descrizione Esistono vari nanotubi. A grandi linee si possono suddividere in due tipi: nanotubo a parete singola o SWCNT (Single-Walled Carbon NanoTube): costituito da un singolo foglio grafitico avvolto su se stesso; nanotubo a parete multipla o MWCNT (Multi-Walled Carbon NanoTube): formato da più fogli avvolti coassialmente uno sull'altro.
Il corpo del nanotubo è formato da soli esagoni, mentre le strutture di chiusura sono formate da esagoni e pentagoni, esattamente come i fullereni. Per questa ragione i nanotubi possono essere considerati come una specie di fullereni giganti. Proprio per questa conformazione di esagoni e pentagoni, i nanotubi presentano spesso difetti strutturali o imperfezioni che deformano il cilindro. Il diametro di un nanotubo a parete singola non supportato è compreso tra un minimo di 0,4 nm e un massimo di 6 nm. L'elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro (nell'ordine di 104) consente di considerarli come delle nanostrutture virtualmente monodimensionali e conferisce proprietà peculiari a queste molecole.
Scoperta
Anche se la scoperta dei nanotubi di carbonio è spesso attribuita al giapponese Sumio Iijima, ricercatore della NEC Corporation, nota industria elettronica nipponica, nel 1991,S. Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, 1991, 354, 56. in realtà la storia della scoperta dei nanotubi è molto più articolata ed è cominciata assai prima.
I primi lavori su fibre grafitiche cave risalgono infatti già al 1952 a opera di ricercatori russi, ma il fatto di aver pubblicato i risultati della loro ricerca in russo ne ostacolò la diffusione in ambito occidentale.
Proprietà e possibili usi
A partire dalla scoperta dei nanotubi sono stati fatti numerosi studi per determinare le loro proprietà fisiche e chimiche, sia per sperimentazione diretta sui campioni, sia utilizzando simulazioni al computer. Allo stesso tempo i ricercatori stanno sviluppando sistemi efficaci per poter sfruttare praticamente queste proprietà.
Il nanotubo a singola parete è un materiale molto resistente alla trazione. Possiede interessanti proprietà elettriche: a seconda del suo diametro o della sua chiralità (il modo con cui i legami carbonio-carbonio si susseguono lungo la circonferenza del tubo) può essere un conduttore di corrente, come un metallo, o un semiconduttore, come il silicio dei microchip, aprendo così le porte alla ricerca di nuovi metodi di costruzione nel campo dell'elettronica, realizzando chip sempre più piccoli e veloci.
I possibili utilizzi sono: transistor, LED, Laser a ultravioletti, attuatori ecc.
Recentemente i nanotubi di carbonio sono stati utilizzati anche per applicazioni biomediche. Varie funzionalizzazioni hanno permesso di renderli solubili in acqua favorendo la biocompatibilità e riducendone drasticamente la citotossicità. I nanotubi perciò servono come carriers di farmaci, potenziali agenti per il trattamento del tumore al rene e per aumentare l'attività neuronale. Nel campo diagnostico sono stati recentemente studiati in vitro ed in vivo, su suini, come possibili agenti di contrasto ecografici. (http://www.pnas.org/content/109/41/16612.long)
Applicazioni in ambito biomedico Recentemente i nanotubi di carbonio sono stati utilizzati anche per applicazioni biomediche.
La possibilità di funzionalizzare la superficie in modo da rendere i nanotubi solubili in acqua ne favorisce la biocompatibilità e ne riduce drasticamente la citotossicità. Inoltre, considerando l’abilità di queste strutture di attraversare le membrane biologiche, è facile capire il motivo per cui i CNTs risultano particolarmente adatti all’utilizzo in ambito di drug delivery, nanoteranostica e ingegneria tissutale:
Le proprietà elettroniche e l’elevato rapporto tra superficie e volume li rendono efficaci come biodetectors altamente sensibili; L’elevata possibilità di funzionalizzazione rende possibile l’utilizzo come biosensori, capaci, attraverso specifiche proteine legate alla superficie del nanotubo, di riconoscere con estrema precisione i target biologici da raggiungere, come ad esempio cellule tumorali; Grazie all’interazione con la radiazione infrarossa sono efficaci come agente terapeutico. Infatti, a differenza dei tessuti umani, i CNTs sono sensibili a queste frequenze; ciò significa che l’irraggiamento da parte di tale radiazione porta ad un surriscaldamento dei nanotubi, che possono venir indirizzati verso cellule tumorali, particolarmente sensibili al calore; Le proprietà antimicrobiche portano, se a diretto contatto con i microrganismi avversi al corpo umano, ad un danneggiamento della membrana cellulare e quindi alla disattivazione; In ingegneria tissutale vengono utilizzati come scaffold per la rigenerazione di tessuto cardiaco e neuronale; È stata inoltre indagata la possibilità di inglobare all’interno della cavità piccole molecole, a formare una nanocapsula.
Resistenza meccanica La resistenza meccanica di un corpo dipende da numerosi fattori, tra i quali la forza dei legami atomo-atomo del materiale costruttivo e l'assenza di difetti strutturali nel reticolo. La presenza di difetti gioca un ruolo fondamentale nei processi di rottura per trazione, dato che per rompere un corpo completamente privo di difetti sarebbe necessario vincere nello stesso istante tutte le forze di coesione di tutta la superficie perpendicolare alla direzione di trazione. Nella realtà la presenza di difetti diminuisce enormemente la forza necessaria a rompere l'oggetto. Per portare a rottura un nanotubo privo di difetti occorre quindi spezzare tutti i legami ibridizzati carbonio-carbonio che lo compongono. La tensione di rottura di un nanotubo a singola parete privo di difetti è quindi paragonabile al valore teorico corrispondente al legame carbonio-carbonio in un anello benzenico; questa caratteristica lo rende il materiale organico più resistente, in grado di rivaleggiare con materiali inorganici monocristallini (i cosiddetti whiskers). Una fibra sintetica costituita da nanotubi di carbonio sarebbe quindi la più resistente mai realizzata. È stato calcolato che un nanotubo ideale avrebbe una resistenza alla trazione 100 volte più grande di quella di una barretta d'acciaio ma con un peso 6 volte minore.
Se le proprietà di resistenza vengono rapportate alla densità del materiale (la cosiddetta resistenza specifica), allora possiamo affermare che il nanotubo è il miglior materiale che la chimica abbia prodotto. Inoltre va ricordato che i nanotubi non sono solamente resistenti alla rottura per trazione, ma sono anche molto flessibili, e possono essere piegati ripetitivamente fino a circa 90° senza rompersi o danneggiarsiSumio Iijima, Charles Brabec, Amitesh Maiti, and Jerzy Bernholc: Structural flexibility of carbon nanotubes J. Chem. Phys. 104 (5), 1 February 1996. . L'estrema resistenza, unita alla loro flessibilità, li rende ideali per l'uso come fibre di rinforzo nei materiali compositi ad alte prestazioni, in sostituzione delle normali fibre di carbonio, del kevlar o delle fibre di vetro.
Alcune applicazioni per il momento fantascientifiche sono l'uso dei nanotubi per la costruzione di nanomacchine (addirittura di pinze per “afferrare” gli atomi), oppure la realizzazione di una fune chilometrica, la cui resistenza consentirebbe di costruire un ascensore per lo spazio (dall'idea di Arthur C. Clarke descritta nel romanzo Le fontane del Paradiso).
Sensibilità ai campi elettrici I nanotubi possono essere trattati in maniera da diventare estremamente sensibili alla presenza di campi elettrici di elevata intensità. Infatti essi reagiscono a tali campi piegandosi fino a 90°, per riprendere la forma originale non appena il campo elettrico viene interrotto. Le sperimentazioni in tal senso hanno dimostrato che è possibile influenzare la frequenza di risonanza naturale del nanotubo, la quale dipende dalla lunghezza, dal diametro (come per qualsiasi sistema dinamico) e dalla morfologia; tale interessante proprietà potrebbe essere sfruttata in numerose applicazioni di nanotecnologia (nanobilance e nanoattuatori elettromeccanici).
Conduttività
La struttura elettronica dei nanotubi è molto simile a quella della grafite, dotata di buone capacità di conduzione in direzione planare, e sarebbe quindi lecito aspettarsi un comportamento simile. I nanotubi hanno invece mostrato sorprendenti proprietà di conduttività che cambiano secondo la loro geometria: alcuni mostrano un comportamento metallico, altri comportamento metallico o semiconduttore a seconda dei casi. È stato notato anche che, in determinate condizioni, gli elettroni possono passare all'interno di un nanotubo senza scaldarlo (fenomeno detto conduzione balistica).
Queste proprietà rendono i nanotubi molto interessanti per lo sviluppo di nanocavi o cavi quantici, che potrebbero affiancare il silicio nel campo dei materiali per l'elettronica, e consentire il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica. Un processore con transistor di nanotubi potrebbe facilmente raggiungere i 1000 GHz, superando tutte le barriere di miniaturizzazione e di dissipazione termica che l'attuale tecnologia al silicio impone. Per fare ciò occorrerebbe però sviluppare una tecnica di produzione di nanotubi di forme e dimensioni diverse e strettamente controllabile, cosa al momento ancora impossibile, oltreché la capacità di realizzare contatti, giunzioni e circuiti in enorme quantità, per ottenere economie di scala e abbattere i costi di produzione.
Le proprietà di conduzione dei nanotubi può essere variata drogandoli, inserendo nella loro struttura atomi aventi le caratteristiche ricercate. Tra i risultati più interessanti c'è un diodo nanometrico formato da due nanotubi che permette il passaggio della corrente in un senso ma non in quello opposto.
Produzione di nanotubi e loro purificazione I nanotubi possono essere sintetizzati utilizzando diverse tecniche più o meno complesse grazie alla vaporizzazione del carbonio e all'utilizzo del laser. Ciò che accomuna i vari processi è il risultato: una grande frazione dei nanotubi prodotti presenta imperfezioni che li rendono praticamente inutilizzabili. Nasce così la necessità di purificare il prodotto. I sistemi di purificazione sono numerosi, ma presentano tutti il problema di non essere in grado di separare i nanotubi ideali senza danneggiarli. Purificazioni molto spinte possono portare a una perdita consistente dei nanotubi prodotti e possono danneggiare seriamente la loro morfologia iniziale (alcune tecniche presentano livelli di scarto superiore al 90%). Tutto questo provoca un costo di produzione elevatissimo che porta la ricerca a essere limitata ai grandi centri di studio e sviluppo.
Sintesi Le tecniche che permettono la produzione di CNT in grossa quantità includono: Ionizzazione dei gas ablazione laser torcia al plasma disproporzionamento ad alta pressione di monossido di carbonio CO (HiPco) deposizione chimica da vapore (CVD) La maggior parte di questi processi avviene sottovuoto o con gas di processo. Il CVD permette lo sviluppo di CNT a pressione atmosferica o sottovuoto. Una gran quantità di CNT possono essere sintetizzati tramite questi metodi, ma i continui progressi nella catalisi e nei processi di crescita stanno rendendo il CNT più commercialmente accessibile.
Ionizzazione dei gas