I nanotubi, scoperti nel 1991 dal giapponese Sumio Iijima, rappresentano una promessa scientifica con molteplici campi di utilizzo che vanno: dal cannone elettronico per gli schermi al plasma ad alta definizione; alle nanomolle per macchine elettriche a dimensione nanometrica; alle celle per il contenimento dell'idrogeno; etc.
Fino al 1985 le uniche due forme note di carbonio cristallino erano il diamante e la graffite. Ma dopo la scoperta di Richard E. Smalley, che le valse il premio nobel, a queste due si aggiunse una forma di arragiamento reticolare detta fullerene. Il nome piuttosto curioso dei fullereni deriva dal cognome dell'ingenere americano Buckminster Fuller, che ideo delle particolari strutture archittettoniche di forma sferica, la più famosa delle quali è la Biosphère Montréal in Canada. Si intuisce allora che la disposizione spaziale degli atomi del carbonio nei fullereni, ricorda moltissimo le "gabbie" sferiche di Fuller.
I fullereni sono dunque delle gabbie approssimativamente sferiche formate da una serie di strutture esagonali e pentagonali di atomi di carbonio. La quantità di poligoni e le loro proporzioni determinano le dimensioni e la forma del fullerene.
Questa forma del carbonio viene sintetizzata con un sistema di vaporizzazione del carbonio ad alta temperatura, ma tracce di fullereni sono state trovate anche in alcune miniere di carbone in Cina.
Partendeo dalle strutture descritte qualche riga più sopra si sono realizzati i cosiddetti nanotubi, che si distinguono in nanotubi a parete singola (SWNT) e a parete multipla (MWNT).
I primi sono stati creati per la prima volta nel 1993 per mezzo di un arco elettroico formato con elettrodi composti da una miscela di carbone-cobalto. Gli SWNT sono descrivibili come dei tubi di carbonio formato da uno strato di grafite arrotolato su se stesso a cilindro, chiuso alle estremità da due calotte emisferiche. Il corpo della struttura è formato da soli esagoni, mentre le calotte di chiusura sono, come i fullereni normali, formate da esagoni e pentagoni. I diametri sono comunemente dell'ordine dei 2nm. L'elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro consente di consideralri come delle nanostrutture monodimensionali.
I secondi sono nanotubi formati da più SWNT concentrici, possono essere comunque presenti legami tra le varie pareti. Le dimensioni, di norma, sono superiori di quelle dei nanotubi a parete singola, e cresce all'aumentare del numero di pareti e può arrivare anche a qualche decina di nanometri.
La prima caratteristica che rende queste strutture interessanti, è la resistenza meccanica. Questa, in generale, dipende da numerosi fattori:forza dei legami tra atomi; assenza di difetti; disposizione reticolare degli atomi costituenti.
Per portare a rottura un nanotubo privo di difetti si dovrebbero spezzare i legami covalenti, i più forti esistenti in natura, che compongono il reticolo cristallino. Quindi la resistenza meccanica di questi "oggetti" dovrebbe essere elevatissima.E? stato calcolato che la resistenza a trazione dovrebbe aggirarsi sui 220 GPa, cento volte più grande di quella dell'acciaio, con un peso inferiore di almeno sei volte.
La seconda caratteristica di interesse industriale è costiuita dalle pareti multiple degli MWNT, che consentirebbe la fabbricazione di nanomacchine. In particolare a Berkeley, un gruppo di scienziati è riuscito a utilizzare un nanotubo a parete multipla come se fosse un tubo telescopico, facendo entrare e uscire le parti interne più volte. Quindi un nanotubo di questo tipo potrebbe essere usato per la costruzione di nanomolle o nanoammortizzatori per macchine di dimensioni nanometriche.
Altra proprietà dei nanotubi è la loro capacità di vibrare se sottoposti a campi elettrici oscillanti a precise frequenze di risonanza, oltretutto tale frequenza dipende dalla morfologia e dal diamtro del nanotubo. Questa caratteristica potrebbe essere usata per la creazione di nanobilance o nanoattuatori elettromeccanici.
Gia ora vengono utilizzate industrialmente le proprietà di conduzione, simile a quelle della grafite, per la creazione di schermi al plasma ad alta definizione. In questo caso i nanotubi vengono utilizzati come cannoni elettronici.
Infine va citata la proprietà di cappilarità, dovuta alla forma tubolare dei nanotubi, e l'alta capacità di adsorbimento dei gas, dovuta al grande rapporto superfice/volume di questi oggetti. A tal proposito si stanno attualmente studiando celle a nanotubi, capaci di contenere l'idrogeno per utilizzi automobilistici, che dovrebbero abbattere gli alti costi che attualmente sono necessari per il suo contenimento.
Il discorso dei nanotubi mi ha sempre affascinato ma non ho avuto mai modo di approfondirlo. Grazie per le tue delucidazioni.
Sapevo anche che con questa tecnologia è possibile realizzare dei superconduttori e delle batterie. Sai qualcosa su questi argomenti?
Grazie per le tue delucidazioni sui nanotubi.
Ciao Luca, innanzitutto grazie per la lettura. Esistono degli studi, per adesso non tradotti commercialmente, di super batterie i cui catodi sono completamente realizzati con nanotubi. Questo consente, grazie all’elevato rapporto superficie/volume dei nanotubi, di accumulare una quantità di carica enormemente maggiore rispetto alle batterie attualmente in commercio e di subire un minor deterioramento nei cicli di carica e scarica. Per quanto riguarda l’utilizzo dei nanotubi in qualità di superconduttori, dalle pubblicazioni che ho letto, ci sono dei risultati interessanti per quanto riguarda la conducibilità, ma i comportamenti anomali riscontrati non fanno pensare ad un loro utilizzo immediato in tal senso.
L’argomento delle nanotecnologie e’ per me estremamente affascinante, va bene realizzare chip con migliaia di transistor, ma pensare di poter realizzare "oggetti" di quelle dimensioni come motori, turbine, bilance etc e’ qualcosa che va un po’ oltre.
dopo aver letto il tuo articolo sono andato a curiosare in giro per la rete ed ho trovato l’applicazione pratica della nanobilancia cui tu accennavi.
in questo caso infatti si fa uso della proprieta’ di oscillazione a frequenza ben determinata e rigorosamente precisa per ogni nanotubo.
Attaccando ad una delle estremita’ del nanotubo la pallina della quale si vuole misurare il peso, questa modifica la sua frequenza tipica di vibrazione. Da qui, gli scienziati riescono a calcolare il peso della pallina.
Nel caso specifico la pallina pesava circa 22 milionesimi di miliardesimo di grammo.
Per andare sulle curiosita’, (segno che gli scienziati qualche volta si divertono da matti) con le nanotecnologie sono riusciti a realizzare la chitarra piu’ piccola del mondo, lunga solo un centesimo di millimetro, tanto da stare all’interno di un solo globulo rosso!
fonte:
http://www.cassefortimoschetto.it/NANOMOTORI.HTM
Anni fa ho avuto modo di fare l’esame di “Fisica dello Stato Solido” in cui si parlava anche di ottica, ebbene, la cosa che mi ha stupito di più è che anche nel mondo dell’ottica si stanno sviluppando una serie di dispositivi come motori, pinze e altri attuatori, composti da cristalli liquidi che interagiscono e si orientano con un fascio di luce laser.
Sono anche stato nei laboratori e mi ricordo che c’erano delle sperimentazione in corso proprio per il motore ottico: una sorta di rotore fatto di cristalli liquidi (di dimensioni veramente ridotte) che si orientava in base alla direzione del fascio di luce.
Oggettino veramente interessante anche perchè, se con le nanotecnologie di parla di dimensioni dell’ordine dei nanometri, con i dispositivi ottici ci si può spingere ben oltre.
Già a quel tempo poi si parlava di computer e dispositivi ottici in cui non esistono più segnali elettrici ma solo segnali ottici e di conseguenza, i componenti non saranno più al silicio ma fatti di materiali (come i cristalli liquidi) che gestiscono segnali ottici anzichè elettrici.
Già dovrebbero essere già stati realizzati transistor e diodi ottici, ossia componenti che si comportano come i transistor e diodi per segnali elettrici, ma che gestiscono segnali ottici. Manca solo il raffinamento di queste tecniche per renderle tali da avvia una produzione di chip che gestiscono solo segnali ottici.
Forse non sarà per la nostra generazione ma si stanno aprendo scenari veramente interessanti.