Storia e proprietà dei nanotubi di carbonio
Sebbene considerati, assieme al fullerene, la “scoperta” del ventesimo secolo per quanto riguarda i materiali innovativi, i nanotubi di carbonio sono stati, seppur inconsapevolmente, sfruttati come materiali tecnologici già nel Medioevo. Dall’acciaio della spada di Damasco, tenace e resiliente, ai sensori per il monitoraggio della qualità dell’aria: applicazioni che rivelano le eccezionali e tuttora ampiamente studiate proprietà di questa peculiare forma del carbonio
Dalla spada in acciaio di Damasco ai sensori per la qualità dell’aria i nanotubi di carbonio (Cnt) erano tecnologicamente importanti ben 400 anni prima dello sviluppo delle “nanotecnologie” per la progettazione di materiali innovativi. È l’affascinante storia della spada di Damasco, realizzata dai fabbri arabi con l’acciaio wootz proveniente dall’India e dallo Sri-Lanka, la cui lama era forte, resistente, ma allo stesso tempo flessibile, tanto da poter essere piegata senza essere danneggiata.
I materiali e il metodo di lavorazione dell’acciaio nella spada di Damasco sono rimasti segreti per lungo tempo. Solo nei primi anni 2000, un gruppo di ricercatori dell’Università di Dresda rivelò il “segreto” della spada di Damasco, pubblicando il lavoro “Microstructure of a genuine Damascus sabre”: la presenza di nanotubi di carbonio e di nanofili di cementite (Fe3C). La lama era dura e affilata per la presenza della cementite, un materiale ceramico molto duro ma anche fragile, mentre la resistenza e la flessibilità (o resilienza) derivano dai nanotubi di carbonio: il carbonio in questa forma, infatti, possiede un’elevata resistenza alla trazione, rinforzando l’acciaio, ostacolando la propagazione delle microrotture del materiale in seguito alle sollecitazioni meccaniche.
Chiaramente, i nanotubi di carbonio non venivano introdotti di proposito: l’ipotesi più probabile è che si siano formati durante il processo di forgiatura a partire dal carbonio presente nell’acciaio wotz che, ad alta temperatura e in presenza di particolari impurezze metalliche come cromo, vanadio, manganese, si aggrega a dare nanotubi.
La “vera” scoperta dei nanotubi di carbonio risale al 1991: Sumio Iijima notò particolari strutture cilindriche attraverso la microscopia a trasmissione di elettroni (Tem), mentre stava in realtà studiando un'altra forma particolare del carbonio, i fullereni, scoperti pochi anni prima, nel 1985. I Cnt sono, infatti costituiti da foglietti di grafene arrotolati su sé stessi a dare strutture cilindriche cave, motivo per cui Sumio Iijima coniò il termine “nanotubi”. Il grafene, una delle tante forme del carbonio che tuttora riscuote un grande interesse scientifico, è costituito da una rete in cui la maglia è formata da esagoni di atomi di carbonio: i foglietti singoli di grafene possono sovrapporsi l’uno sull’altro a dare la grafite, un materiale che tutti conosciamo.
La lunghezza dei nanotubi è di pochi micrometri (un millesimo di mm) mentre il diametro varia da 0.4 nm fino a 100 nm, a seconda che si tratti di Swcnh (Single Wall Carbon Nanotubes, un foglio unico di grafene) o Mwcnt (Multi Wall Carbon Nanotubes, più foglietti di grafene arrotolati in maniera concentrica).
La resistenza meccanica dei nanotubi di carbonio è maggiore di quella dell’acciaio, ma con un peso di molto ridotto; superano il diamante per quanto riguarda la capacità di condurre il calore e, a seconda di come il grafene si arrotola, possono condurre la corrente come i metalli o essere materiali semiconduttori.
In particolare, questa versatilità nelle proprietà elettriche rende i Cnt dei buoni candidati per la progettazione di sensori di gas come ammoniaca, diossidio di azoto (NO2), monossido di carbonio (CO), operanti anche a temperatura ambiente: il segnale che ne rivela la presenza è la variazione della resistenza elettrica dei Cnt dopo l’esposizione. Inoltre, proprio grazie alla particolare morfologia, la superficie esposta è ampia e permette una determinazione quantitativa del gas. I nanotubi di carbonio possono, inoltre, essere modificati chimicamente per aumentarne la selettività e la sensibilità verso un particolare gas oppure possono essere associati a polimeri conduttori come la polianilina, a dare materiali compositi in grado di rilevare quantità in tracce.
I punti di forza dei sensori a base di Cnt sono la veloce risposta e l’elevata sensibilità, associati alla possibilità di miniaturizzare i dispositivi di rilevamento. Tuttavia, come per ogni tecnologia, ci sono ancora dei punti critici, come l’elevato costo di produzione, la difficoltà nell’ottenere una distribuzione relativamente stretta del diametro, il controllo della purezza e, non ultima, la valutazione della tossicità di questo tipo di materiale, data dall’elevato rapporto lunghezza diametro.
Fonte: Alessia Famengo, Istituto di chimica della materia condensata e di tecnologie per l’energia, alessia.famengo@cnr.it