Nanotubi di carbonio, chiamati anche buckytube, tubi cavi in nanoscala composti da atomi di carbonio. Le molecole cilindriche di carbonio sono caratterizzate da alti rapporti d’aspetto (valori lunghezza/diametro) tipicamente superiori a 103, con diametri da circa 1 nanometro fino a decine di nanometri e lunghezze fino a millimetri. Questa struttura unidimensionale unica e le proprietà concomitanti conferiscono ai nanotubi di carbonio una natura speciale, rendendoli con un potenziale illimitato nelle applicazioni associate alla nanotecnologia. I nanotubi di carbonio sono membri della famiglia dei fullereni. Anche se le prime molecole di fullerene sono state scoperte nel 1985, non è stato fino a quando Sumio Iijima ha riportato le sue scoperte nel 1991 sui tubi di carbonio simili ad aghi su Nature che i nanotubi di carbonio sono diventati di dominio pubblico.
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Da allora, sono stati scoperti nanotubi di carbonio con varie strutture. Secondo il numero di gusci grafici, sono principalmente classificati come nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) e a parete multipla (MWNTs). I nanotubi di carbonio riportati da Iijima erano MWNT sintetizzati con metodi di scarica ad arco. Due anni dopo, due gruppi di ricercatori che lavoravano indipendentemente – Iijima e Toshinari Ichihashi, insieme a Donald S. Bethune e ai suoi colleghi dell’IBM – sintetizzarono gli SWNT, usando la scarica ad arco catalizzata da metalli di transizione.
Un SWNT può essere descritto come un lungo tubo formato avvolgendo un singolo foglio di grafene in un cilindro di circa 1 nanometro di diametro, le cui estremità sono coperte da gabbie di fullerene. Le strutture di fullerene, con strutture alternate di cinque esagoni adiacenti a un pentagono, formano la superficie con la curvatura desiderata per racchiudere il volume. Le pareti laterali dei nanotubi di carbonio sono costituite da fogli di grafene composti da celle esagonali vicine. Altre strutture poligonali, come pentagoni ed eptagoni, costituiscono difetti di pareti laterali. I fianchi cilindrici possono essere prodotti da diverse direzioni di laminazione per fare SWNT con strutture e proprietà distinte. A causa della simmetria cilindrica, ci sono solo una manciata di metodi che sono efficaci nel fare cilindri senza soluzione di continuità, e sono caratterizzati dai vettori chirali con indici interi (n, m). Per stabilire il vettore chirale, vengono selezionati due atomi nel foglio di grafene, con uno che serve come origine del vettore che punta verso l’altro atomo. Il foglio di grafene viene poi arrotolato in modo da far coincidere i due atomi. In queste circostanze, i vettori chirali formano un piano perpendicolare alla direzione della longitudine dei nanotubi e le lunghezze dei vettori chirali sono uguali alla circonferenza. Tre diversi tipi di SWNT sono distintamente caratterizzati, chiamati “zigzag” (m = 0), “armchair” (n = m), e “chiral”. Queste variazioni strutturali si traducono in differenze nella conduttività elettrica e nella resistenza meccanica.
Gli SWNT sono gruppi di SWNT allineati concentricamente con diametri diversi. La distanza tra i gusci adiacenti è di circa 0,34 nanometri. Gli MWNT differiscono dagli SWNT non solo per le loro dimensioni, ma anche per le loro proprietà corrispondenti. Sono state sviluppate varie tecniche per produrre nanotubi di carbonio in quantità considerevole, ad alto rendimento e purezza, mantenendo un costo ragionevole. Le tecniche ben sviluppate includono la scarica ad arco, l’ablazione laser e la deposizione chimica da vapore (CVD), e la maggior parte dei processi comporta costose condizioni di vuoto.
La scarica ad arco è stata inizialmente utilizzata per la sintesi dei fullereni. In un tipico setup sperimentale, una camera riempita di gas inerte a bassa pressione (da 50 a 700 mbar) (elio, argon) è il luogo dove avviene la reazione. Due barre di carbonio sono posizionate da un capo all’altro come elettrodi, separati da pochi millimetri, e una corrente continua da 50 a 100 A (guidata da una differenza di potenziale di 20 V) genera un’alta temperatura di scarica per sublimare l’elettrodo negativo, lasciando fuliggine dove si trovano i nanotubi di carbonio. Questo metodo è il modo più comune per sintetizzare i nanotubi di carbonio e forse il più semplice. La qualità dei nanotubi di carbonio dipende dall’uniformità dell’arco di plasma, dai catalizzatori e dalla selezione dei gas di riempimento. Di solito si produce una miscela di nanotubi di carbonio; sono quindi necessari processi di purificazione per rimuovere i fullereni, il carbonio amorfo e i catalizzatori.
L’ablazione laser è stata impiegata per la prima volta per produrre nanotubi di carbonio nel 1995. Un laser pulsato o continuo viene usato per vaporizzare un bersaglio di grafite (o una miscela di grafite e metallo) in un forno a 1.200 °C (2.200 °F) pieno di gas inerte a una pressione di 500 torr. I vapori di carbonio si raffreddano rapidamente durante l’espansione, e gli atomi di carbonio si condensano rapidamente per formare strutture tubolari con l’aiuto di particelle di catalizzatore. Gli MWNT possono essere sintetizzati quando la grafite pura viene vaporizzata, e gli SWNT sono cresciuti da miscele di grafite e metalli di transizione (cobalto, nichel, ecc.). Il metodo è usato principalmente per sintetizzare SWNT con alta selettività e in modo controllabile dal punto di vista del diametro, adattando le temperature di reazione. I prodotti risultanti sono di solito in forma di fasci. L’ablazione laser è la tecnica più costosa a causa del coinvolgimento di laser costosi e dell’alta potenza in ingresso.
La deposizione chimica da vapore (CVD) è il modo più promettente per produrre nanotubi di carbonio su scala industriale. Questo processo utilizza un’alta energia (600-900 °C) per atomizzare fonti gassose di carbonio, come metano, monossido di carbonio e acetilene. Gli atomi di carbonio reattivi risultanti si diffondono verso un substrato rivestito di catalizzatore e si condensano per formare nanotubi di carbonio. I nanotubi di carbonio ben allineati possono essere sintetizzati con una morfologia precisamente controllata, a condizione che vengano mantenute le condizioni di reazione adeguate, tra cui la preparazione dei substrati, la selezione dei catalizzatori, ecc.
Nuove proprietà chimiche, elettriche e meccaniche assenti in altri materiali sono state scoperte nei nanotubi di carbonio. I nanotubi di carbonio incontaminati sono inerti alla maggior parte delle sostanze chimiche e devono essere innestati con gruppi funzionali di superficie per aumentare la loro reattività chimica e aggiungere nuove proprietà. Per gli SWNT, la conduttività elettrica dipende dal vettore chirale ed è indipendente dalla lunghezza, come determinato dalla meccanica quantistica. Considerando un vettore chirale con indici (n, m), i nanotubi di carbonio sono metallici quando n = m o (n – m) = 3i (i è un intero) e semiconduttori negli altri casi. Lungo le direzioni di longitudine, i nanotubi di carbonio mostrano una resistenza meccanica superiore, con la più alta resistenza alla trazione e il modulo elastico tra i materiali conosciuti.
Per quanto riguarda le proprietà termiche, i nanotubi di carbonio superano il diamante come miglior conduttore termico. Le applicazioni dei nanotubi di carbonio mirano a sfruttare le loro proprietà uniche per risolvere problemi su scala nanometrica. La loro alta area superficiale, insieme alla capacità unica di trasportare qualsiasi composto chimico dopo la modifica della superficie, offre ai nanotubi di carbonio il potenziale per essere utilizzati come supporti di catalizzatori su scala nanometrica con alta reattività catalitica e sensori chimici. Sono noti per essere i migliori emettitori di campo grazie alle loro punte affilate, che possono concentrare facilmente il campo elettrico, permettendo loro di emettere elettroni a basse tensioni.
Questa proprietà ha applicazioni speciali nei display a schermo piatto a emissione di campo e nei cannoni elettronici a catodo freddo usati nei microscopi. Nella nanoelettronica, gli SWNT sono stati usati per fabbricare transistor che possono funzionare a temperatura ambiente e sono potenziali candidati per dispositivi che operano a frequenze tetrahertz (THZ). I materiali ingegneristici che utilizzano i nanotubi di carbonio come additivi hanno mostrato la capacità di realizzare compositi plastici con una maggiore conducibilità elettrica e resistenza meccanica. Per le applicazioni biomediche, i nanotubi di carbonio sono promettenti come veicoli per la somministrazione mirata di farmaci e la rigenerazione delle cellule nervose. Tuttavia, il loro futuro successo nelle applicazioni bio-correlate è altamente soggetto allo studio della tossicità, che è ancora in una fase iniziale.
Alcuni ricercatori si sono preoccupati dei rischi per la salute dei nanotubi di carbonio, che secondo le ricerche di laboratorio sembrano costituire un pericolo per la salute umana simile all’amianto. In particolare, l’esposizione ai nanotubi di carbonio è stata associata al mesotelioma, un cancro del rivestimento dei polmoni. Se inalati, si ritiene che i nanotubi possano sfregiare i tessuti polmonari in modo simile alle fibre di amianto, un motivo di preoccupazione perché i nanotubi sono già utilizzati in molti prodotti comuni, come i telai delle biciclette, le carrozzerie delle automobili e le racchette da tennis. I potenziali rischi per la salute sono rilevanti non solo per coloro che sono coinvolti nella produzione, ma anche per il pubblico in generale, e poche ricerche sono state condotte per determinare se si creano rischi per la salute umana quando i prodotti contenenti nanotubi vengono schiacciati o inceneriti in una discarica di rifiuti.