I nanotubi di carbonio (CNT) sono allotropi di carbonio con una nanostruttura cilindrica. Queste molecole di carbonio cilindriche hanno proprietà insolite, che sono preziose per le nanotecnologie, l’elettronica, l’ottica e altri campi della scienza e della tecnologia dei materiali. Grazie all’eccezionale resistenza e rigidità del materiale, i nanotubi sono stati costruiti con un rapporto lunghezza-diametro di fino a 132.000.000: 1, significativamente più grande di qualsiasi altro materiale.

Inoltre, grazie alla loro straordinaria conduttività termica, alle proprietà meccaniche ed elettriche, i nanotubi di carbonio trovano applicazioni come additivi per vari materiali strutturali. Ad esempio, i nanotubi formano una piccola parte del materiale (s) in alcuni (soprattutto fibra di carbonio) mazze da baseball, mazze da golf, parti di automobili o acciaio damasco.

I nanotubi sono membri della famiglia strutturale fullerenica. Il loro nome deriva dalla loro lunga struttura cava con le pareti formate da fogli di carbone spessi un atomo, chiamati grafene. Questi fogli vengono laminati in angoli specifici e discreti (“chirali”), e la combinazione dell’angolo di rotazione e del raggio decide le proprietà dei nanotubi; per esempio, se la singola calotta di nanotubi è un metallo o un semiconduttore. I nanotubi sono classificati come nanotubi a parete singola (SWNT) e nanotubi a parete multipla (MWNT). I singoli nanotubi si allineano naturalmente in “corde” tenute insieme dalle forze di van der Waals, in particolare pi-stacking.

La chimica quantistica applicata, in particolare, l’ibridazione orbitale descrive meglio il legame chimico nei nanotubi. Il legame chimico dei nanotubi coinvolge interamente atomi di carbonio ibridi sp2. Questi legami, che sono simili a quelli della grafite e più forti di quelli che si trovano negli alcani e nei diamanti (che impiegano gli atomi di carbonio ibridi sp3), forniscono ai nanotubi la loro forza unica.

Tipi di nanotubi di carbonio e strutture correlate
Non c’è consenso su alcuni termini che descrivono i nanotubi di carbonio nella letteratura scientifica: sia “-wall” che “-walled” vengono usati in combinazione con “single”, “double”, “triple” o “multi”, e la lettera C è spesso omesso nell’abbreviazione; per esempio, nanotubo di carbonio a parete multipla (MWNT).

A parete singola

dove a = 0,246 nm.

Gli SWNT sono un’importante varietà di nanotubi di carbonio perché la maggior parte delle loro proprietà cambia in modo significativo con i valori (n, m) e questa dipendenza non è monotona (vedi diagramma di Kataura). In particolare, il loro gap di banda può variare da zero a circa 2 eV e la loro conduttività elettrica può mostrare un comportamento metallico o semiconduttore. I nanotubi a parete singola sono probabilmente candidati per l’elettronica miniaturizzata. Il blocco più elementare di questi sistemi è il filo elettrico, e gli SWNT con diametri di un ordine di un nanometro possono essere conduttori eccellenti. Un’utile applicazione di SWNT è nello sviluppo dei primi transistor a effetto di campo intermolecolare (FET). La prima porta logica intermolecolare che utilizza FET SWCNT è stata creata nel 2001. Una porta logica richiede sia un p-FET che un n-FET. Poiché gli SWNT sono p-FET quando esposti a ossigeno e n-FET in altro modo, è possibile esporre metà di un SWNT all’ossigeno e proteggere l’altra metà da esso. Il SWNT risultante agisce come una porta non logica con entrambi i FET di tipo p e n nella stessa molecola.

I prezzi dei nanotubi a parete singola sono diminuiti da circa $ 1500 al grammo a partire dal 2000 a prezzi al dettaglio di circa $ 50 per grammo di SWNT prodotti in 40-60% in peso a partire da marzo 2010. A partire dal 2016 il prezzo di vendita dei prodotti di produzione 75 % in peso Gli SWNT erano $ 2 al grammo, abbastanza economici per un uso diffuso. Si prevede che gli SWNT avranno un grande impatto nelle applicazioni elettroniche entro il 2020 secondo il rapporto The Global Market for Carbon Nanotubes.

Multi-walled
I nanotubi a parete multipla (MWNT) sono costituiti da più strati laminati (tubi concentrici) di grafene.Ci sono due modelli che possono essere usati per descrivere le strutture di nanotubi a parete multipla. Nel modello della bambola russa, i fogli di grafite sono disposti in cilindri concentrici, ad esempio un nanotubo a parete singola (0,8) (SWNT) all’interno di un nanotubo a parete singola più grande (0,17). Nel modello di Pergamena, un singolo foglio di grafite viene arrotolato su se stesso, simile a un rotolo di pergamena o un giornale arrotolato. La distanza di interstrato nei nanotubi a parete multipla è vicina alla distanza tra gli strati di grafene in grafite, circa 3,4 Å. La struttura della bambola russa è osservata più comunemente. I suoi singoli gusci possono essere descritti come SWNT, che possono essere metallici o semiconduttori. A causa della probabilità statistica e delle restrizioni sui diametri relativi dei singoli tubi, uno dei gusci, e quindi l’intero MWNT, è solitamente un metallo a gap zero.

I nanotubi di carbonio a doppia parete (DWNT) formano una classe speciale di nanotubi perché la loro morfologia e proprietà sono simili a quelle degli SWNT ma sono più resistenti alle sostanze chimiche. Ciò è particolarmente importante quando è necessario innestare le funzioni chimiche sulla superficie dei nanotubi (funzionalizzazione) per aggiungere proprietà al CNT. La funzionalizzazione covalente di SWNT interromperà alcuni doppi legami C = C, lasciando “buchi” nella struttura sul nanotubo, e quindi modificando le sue proprietà meccaniche ed elettriche. Nel caso di DWNTs, solo il muro esterno viene modificato. La sintesi del DWNT sulla scala del grammo è stata inizialmente proposta nel 2003 dalla tecnica CCVD, dalla riduzione selettiva delle soluzioni di ossido in metano e idrogeno.

La capacità di movimento telescopico dei gusci interni e le loro proprietà meccaniche uniche consentiranno l’uso di nanotubi a parete multipla come bracci mobili principali in dispositivi nanomeccanici in arrivo. [Speculazione?] Forza di ritrazione che si verifica a movimento telescopico causato dall’interazione Lennard-Jones tra gusci e il suo valore è di circa 1,5 nN.

Giunzioni e reticolazione
Giunzioni tra 2 o più nanotubi sono state ampiamente discusse teoricamente. Tali giunzioni sono abbastanza frequentemente osservate in campioni preparati mediante scarica ad arco e mediante deposizione chimica da fase vapore. Le proprietà elettroniche di tali giunzioni sono state inizialmente considerate teoricamente da Lambin et al., Che hanno sottolineato che una connessione tra tubo metallico e uno semiconduttore rappresenterebbe una eterogiunzione a scala nanometrica. Una tale giunzione potrebbe quindi costituire un componente di un circuito elettronico basato su nanotubi.L’immagine adiacente mostra una giunzione tra due nanotubi a parete multipla. Giunzioni tra nanotubi e grafene sono state considerate teoricamente, ma non ampiamente studiate sperimentalmente. Tali giunzioni formano la base del grafene colonnato, in cui fogli di grafene paralleli sono separati da brevi nanotubi. Il grafene pillared rappresenta una classe di architetture tridimensionali di nanotubi di carbonio.

Recentemente, diversi studi hanno evidenziato la prospettiva di utilizzare nanotubi di carbonio come elementi costitutivi per fabbricare dispositivi macroscopici tridimensionali (& gt; 100 nm in tutte e tre le dimensioni) completamente in carbonio. Lalwani et al. hanno riportato un nuovo metodo di reticolazione termica avviato radicalmente per fabbricare scaffold macroscopici, autoportanti, porosi e completamente al carbonio, utilizzando nanotubi di carbonio a parete singola e multipla come elementi costitutivi. Questi scaffold possiedono pori macro, micro e nano-strutturati e la porosità può essere adattata per applicazioni specifiche. Questi scaffold / architetture 3D interamente in carbonio possono essere utilizzati per la fabbricazione della prossima generazione di accumulo di energia, supercondensatori, transistor di emissione di campo, catalisi ad alte prestazioni, fotovoltaico e dispositivi e impianti biomedici.

Altre morfologie
Nanobuds di carbonio sono un materiale di nuova creazione che combina due allotropi di carbonio precedentemente scoperti: nanotubi di carbonio e fullereni. In questo nuovo materiale, i “boccioli” simili a fullereni sono legati in modo covalente ai fianchi esterni del nanotubo di carbonio sottostante.Questo materiale ibrido ha proprietà utili sia di fullereni che di nanotubi di carbonio. In particolare, sono stati trovati per essere emettitori di campo eccezionalmente buoni. Nei materiali compositi, le molecole di fullerene allegate possono funzionare come ancore molecolari che impediscono lo scivolamento dei nanotubi, migliorando così le proprietà meccaniche del composito.

Un peapod in carbonio è un nuovo materiale ibrido di carbonio che intrappola il fullerene all’interno di un nanotubo di carbonio. Può possedere interessanti proprietà magnetiche con riscaldamento e irradiazione. Può anche essere applicato come oscillatore durante le indagini teoriche e le previsioni.

In teoria, un nanotorus è un nanotubo di carbonio piegato in un toroide (forma a ciambella). Si prevede che i nanotori abbiano molte proprietà uniche, come i momenti magnetici 1000 volte più grandi di quanto precedentemente previsto per determinati raggi specifici. Proprietà come momento magnetico, stabilità termica, ecc. Variano molto a seconda del raggio del toro e del raggio del tubo.

I nanotubi di carbonio grafenati sono un ibrido relativamente nuovo che combina i follicoli grafitici cresciuti lungo i fianchi dei CNT a più pareti o in bambù. La densità fogliare può variare in funzione delle condizioni di deposizione (ad es. Temperatura e tempo) con la loro struttura che va da pochi strati di grafene (<10) a più spessi, più simili alla grafite. Il vantaggio fondamentale di una struttura grafene-CNT integrata è la struttura tridimensionale ad alta area superficiale dei CNT accoppiata con l’alta densità del grafene. Il deposito di un’alta densità di folati di grafene lungo la lunghezza dei CNT allineati può aumentare significativamente la capacità di carica totale per unità di area nominale rispetto ad altre nanostrutture di carbonio.

I nanotubi di carbonio impilati in tazza (CSCNT) differiscono dalle altre strutture in carbonio quasi-1D, che normalmente si comportano come conduttori quasi-metallici di elettroni. I CSCNT mostrano comportamenti semiconduttori dovuti alla microstruttura di impilamento degli strati di grafene.

Nanotubi di carbonio estremi
L’osservazione dei più lunghi nanotubi di carbonio cresciuti fino ad ora è di oltre 1 m di lunghezza (550 mm di lunghezza) è stata riportata nel 2013. Questi nanotubi sono stati coltivati ​​su substrati di silicio usando un metodo di deposizione chimica in fase vapore (CVD) migliorata e rappresentano maglie elettricamente uniformi di singolo nanotubi di carbonio a parete.

Il nanotubo di carbonio più corto è il cicloparaphenilene composto organico, che è stato sintetizzato nel 2008.

Il nanotubo di carbonio più sottile è la poltrona (2,2) CNT con un diametro di 0,3 nm. Questo nanotubo è stato coltivato all’interno di un nanotubo di carbonio a parete multipla. L’assegnazione del tipo di nanotubi di carbonio è stata effettuata mediante una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM), spettroscopia Raman e calcolo della teoria funzionale densità (DFT).

Il nanotubo di carbonio a parete singola più sottile e indipendente ha un diametro di circa 0,43 nm. I ricercatori hanno suggerito che può essere (5,1) o (4,2) SWCNT, ma il tipo esatto di nanotubi di carbonio rimane discutibile. (3,3), (4,3) e (5,1) nanotubi di carbonio (tutti circa 0,4 nm di diametro) sono stati identificati in modo inequivocabile mediante microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione con correzione dell’aberrazione all’interno di CNT a doppia parete.

La più alta densità di CNT è stata raggiunta nel 2013, cresciuta su una superficie conduttiva rivestita di rame rivestita di titanio rivestita con co-catalizzatori di cobalto e molibdeno a temperature inferiori a quelle tipiche di 450 ° C. I tubi avevano una media di 380 nm e una densità di massa di 1,6 g cm-3.Il materiale mostrava conduttività ohmica (resistenza più bassa ~ 22 kΩ).

Proprietà

Meccanico
I nanotubi di carbonio sono i materiali più resistenti e rigidi finora scoperti in termini di resistenza alla trazione e modulo elastico rispettivamente. Questa forza risulta dai legami sp2 covalenti formati tra i singoli atomi di carbonio. Nel 2000, un nanotubo di carbonio a parete multipla è stato testato per avere una resistenza alla trazione di 63 gigapascal (9,100.000 psi). (Per esempio, questo si traduce nella capacità di sopportare la tensione di un peso equivalente a 6.422 chilogrammi di forza (62.980 N; 14.160 lbf) su un cavo con sezione trasversale di 1 millimetro quadrato (0.0016 pollici quadrati). Ulteriori studi, tali come uno condotto nel 2008, ha rivelato che i singoli gusci CNT hanno punti di forza fino a 100 gigapascal (15.000.000 psi), che è in accordo con i modelli quantistici / atomistici.Poiché i nanotubi di carbonio hanno una bassa densità per un solido compreso tra 1,3 e 1,4 g / cm3, la sua resistenza specifica fino a 48.000 kN • m • kg-1 è il migliore tra i materiali conosciuti, rispetto ai 154 kN di acciaio ad alto tenore di carbonio • m • kg-1.

Sebbene la forza dei singoli gusci CNT sia estremamente elevata, interazioni di taglio deboli tra gusci e tubi adiacenti portano a una significativa riduzione della forza effettiva dei nanotubi di carbonio a parete multipla e dei fasci di nanotubi di carbonio fino a pochi GPa. Questa limitazione è stata recentemente affrontata applicando l’irradiazione di elettroni ad alta energia, che incrocia reticoli interni e tubi e aumenta efficacemente la resistenza di questi materiali a ≈60 GPa per nanotubi di carbonio a parete multipla e ≈17 GPa per fasci di nanotubi di carbonio a doppia parete . I CNT non sono così forti sotto compressione. A causa della loro struttura cava e del loro elevato allungamento, tendono a subire deformazioni in seguito a sollecitazioni di compressione, torsione o flessione.

D’altra parte, ci sono prove che nella direzione radiale sono piuttosto morbidi. La prima osservazione al microscopio elettronico a trasmissione dell’elasticità radiale ha suggerito che anche le forze di van der Waals possono deformare due nanotubi adiacenti. Successivamente, nanoindentazioni con microscopio a forza atomica sono state eseguite da diversi gruppi per misurare quantitativamente l’elasticità radiale di nanotubi di carbonio a parete multipla e la microscopia a forza di contatto / modalità di contatto è stata eseguita anche su nanotubi di carbonio a parete singola. Il modulo di Young sull’ordine di diversi GPa ha mostrato che i CNT sono in effetti molto morbidi nella direzione radiale.

Elettrico
A differenza del grafene, che è un semimetale bidimensionale, i nanotubi di carbonio sono metallici o semiconduttori lungo l’asse tubolare. Per un dato nanotubo (n, m), se n = m, il nanotubo è metallico;se n-m è un multiplo di 3 enm e nm ≠ 0, allora il nanotubo è quasi metallico con un gap di banda molto piccolo, altrimenti il ​​nanotubo è un semiconduttore moderato. Pertanto tutti i nanotubi di poltrone (n = m) sono metallici e i nanotubi (6,4), (9,1), ecc. Sono semiconduttori. I nanotubi di carbonio non sono semimetallici perché il punto degenerato (il punto in cui la banda π [legame] incontra la banda π * [anti-bonding], a cui l’energia va a zero) è leggermente spostato dal punto K nella zona Brillouin a causa della curvatura della superficie del tubo, causando l’ibridazione tra le bande anti-legame σ * e π *, modificando la dispersione di banda.

La regola riguardante il comportamento metallico rispetto a semiconduttore presenta delle eccezioni, poiché gli effetti di curvatura in tubi di piccolo diametro possono influenzare fortemente le proprietà elettriche. Quindi, un (5,0) SWCNT che dovrebbe essere semiconduttore in effetti è metallico secondo i calcoli. Allo stesso modo, SWCNT a zigzag e chirali con piccoli diametri che dovrebbero essere metallici hanno un gap finito (i nanotubi di poltrona rimangono metallici). In teoria, i nanotubi metallici possono trasportare una densità di corrente elettrica di 4 × 109 A / cm2, che è più di 1.000 volte maggiore di quella dei metalli come il rame, dove per le interconnessioni di rame le densità di corrente sono limitate dall’elettromigrazione. I nanotubi di carbonio vengono quindi esplorati come interconnessioni, componenti che favoriscono la conduttività nei materiali compositi e molti gruppi stanno tentando di commercializzare fili elettrici altamente conduttori assemblati da singoli nanotubi di carbonio. Ci sono sfide significative da superare, tuttavia, come la saturazione di corrente indesiderata sotto tensione, le giunzioni e le impurità nanotubo-nanotubi molto resistive, che riducono la conduttività elettrica dei fili di nanotubi macroscopici per ordine di grandezza, rispetto a alla conduttività dei singoli nanotubi.

A causa della sua sezione trasversale in nanoscala, gli elettroni si propagano solo lungo l’asse del tubo. Di conseguenza, i nanotubi di carbonio vengono spesso definiti conduttori unidimensionali. La massima conduttanza elettrica di un nanotubo di carbonio a parete singola è 2G0, dove G0 = 2e2 / h è la conduttanza di un singolo canale quantistico balistico.

A causa del ruolo del sistema π-elettrone nel determinare le proprietà elettroniche del grafene, il drogaggio nei nanotubi di carbonio differisce da quello dei bulk semiconduttori cristallini dello stesso gruppo della tavola periodica (ad esempio il silicio). La sostituzione grafitica degli atomi di carbonio nella parete del nanotubo da parte di droganti di boro o di azoto porta al comportamento di tipo p e di tipo n, rispettivamente, come ci si aspetterebbe nel silicio. Tuttavia, alcuni droganti non sostituibili (intercalati o adsorbiti) introdotti in un nanotubo di carbonio, come i metalli alcalini e i metalloceni ricchi di elettroni, risultano nella conduzione di tipo n perché donano elettroni al sistema di elettroni π del nanotubo. Al contrario, gli accettori di π-elettroni come FeCl3 o metalloceni privi di elettroni funzionano come droganti di tipo p poiché estrae π-elettroni lontano dalla cima della banda di valenza.

È stata segnalata la superconduttività intrinseca, sebbene altri esperimenti non abbiano rilevato alcuna prova di ciò, lasciando l’argomento oggetto di dibattito.

Ottico
I nanotubi di carbonio hanno proprietà utili di assorbimento, fotoluminescenza (fluorescenza) e spettroscopia Raman. I metodi spettroscopici offrono la possibilità di caratterizzazione rapida e non distruttiva di quantità relativamente grandi di nanotubi di carbonio. Vi è una forte domanda di tale caratterizzazione dal punto di vista industriale: numerosi parametri della sintesi dei nanotubi possono essere modificati, intenzionalmente o meno, per alterare la qualità dei nanotubi. Come mostrato di seguito, l’assorbimento ottico, la fotoluminescenza e le spettroscopie Raman consentono una caratterizzazione rapida e affidabile di questa “qualità dei nanotubi” in termini di contenuto di carbonio non tubolare, struttura (chiralità) dei nanotubi prodotti e difetti strutturali. Queste caratteristiche determinano quasi tutte le altre proprietà come le proprietà ottiche, meccaniche ed elettriche.

I nanotubi di carbonio sono unici “sistemi unidimensionali” che possono essere immaginati come fogli singoli laminati di grafite (o più precisamente grafene). Questo rotolamento può essere fatto a diversi angoli e curvature con conseguenti proprietà di nanotubi differenti. Il diametro varia tipicamente nell’intervallo 0,4-40 nm (cioè “solo” ~ 100 volte), ma la lunghezza può variare ~ 100.000.000.000 di volte, da 0,14 nm a 55,5 cm. Il rapporto d’aspetto di nanotubi, o il rapporto lunghezza-diametro, può arrivare a 132.000.000: 1, che non ha eguali in nessun altro materiale. Di conseguenza, tutte le proprietà dei nanotubi di carbonio rispetto a quelle dei semiconduttori tipici sono estremamente anisotropi (direzionali dipendenti) e sintonizzabili.

Mentre le proprietà meccaniche, elettriche ed elettrochimiche (supercondensatore) dei nanotubi di carbonio sono ben stabilite e hanno applicazioni immediate, l’uso pratico delle proprietà ottiche non è ancora chiaro. La suddetta sintonizzazione delle proprietà è potenzialmente utile in ottica e fotonica.In particolare, in laboratorio sono stati prodotti diodi emettitori di luce (LED) e fotorivelatori basati su un singolo nanotubo. La loro caratteristica unica non è l’efficienza, che è ancora relativamente bassa, ma la ristretta selettività nella lunghezza d’onda dell’emissione e del rilevamento della luce e la possibilità della sua messa a punto attraverso la struttura del nanotubo. Inoltre, sono stati realizzati bolometri e dispositivi di memoria optoelettronici su insiemi di nanotubi di carbonio a parete singola.

I difetti cristallografici influenzano anche le proprietà elettriche del tubo. Un risultato comune è la riduzione della conduttività attraverso la regione difettosa del tubo. Un difetto nei tubi di tipo a poltrona (che possono condurre elettricità) può causare la semina della regione circostante, e singoli posti di lavoro monatomici inducono proprietà magnetiche.

Termico
Ci si aspetta che tutti i nanotubi siano conduttori termici molto buoni lungo il tubo, esibendo una proprietà nota come “conduzione balistica”, ma buoni isolanti lateralmente rispetto all’asse del tubo.Le misurazioni mostrano che un singolo SWNT ha una conduttività termica a temperatura ambiente lungo il suo asse di circa 3500 W • m-1 • K-1; confrontalo con il rame, un metallo ben noto per la sua buona conduttività termica, che trasmette 385 W • m-1 • K-1. Un singolo SWNT ha una conduttività termica a temperatura ambiente lungo il suo asse (nella direzione radiale) di circa 1,52 W • m-1 • K-1, che è quasi termicamente conduttivo come il terreno. Assemblee macroscopiche di nanotubi come film o fibre hanno raggiunto fino a 1500 W • m-1 • K-1 fino ad ora. Si stima che la stabilità della temperatura dei nanotubi di carbonio sia fino a 2800 ° C in vuoto e circa 750 ° C in aria.

I difetti cristallografici influenzano fortemente le proprietà termiche del tubo. Tali difetti portano alla diffusione di fononi, che a sua volta aumenta il tasso di rilassamento dei fononi. Questo riduce il percorso libero medio e riduce la conduttività termica delle strutture di nanotubi. Le simulazioni di trasporto dei fononi indicano che difetti sostitutivi come l’azoto o il boro porteranno principalmente alla dispersione di fononi ottici ad alta frequenza. Tuttavia, difetti su larga scala come i difetti di Stone Wales provocano la diffusione di fononi su un’ampia gamma di frequenze, portando a una maggiore riduzione della conduttività termica.

Sintesi
Le tecniche sono state sviluppate per produrre nanotubi in quantità considerevole, tra cui scarica ad arco, ablazione laser, deposizione chimica da fase vapore (CVD) e sproporzione di monossido di carbonio ad alta pressione (HiPCO). Tra queste scariche ad arco, l’ablazione laser, la deposizione chimica da fase vapore (CVD) sono processi batch-batch e HiPCO è un processo continuo in fase gas. La maggior parte di questi processi avviene nel vuoto o con gas di processo. Il metodo di crescita CVD è popolare, in quanto produce quantità elevate e ha un certo grado di controllo su diametro, lunghezza e morfologia. Usando catalizzatori di particolato, grandi quantità di nanotubi possono essere sintetizzati con questi metodi, ma raggiungere la ripetibilità diventa un problema importante con la crescita di CVD. Il processo HiPCO avanza nella catalisi e la crescita continua stanno rendendo i CNT più redditizi dal punto di vista commerciale. Il processo HiPCO aiuta a produrre nanotubi di carbonio a parete singola di elevata purezza in quantità maggiore. Il reattore HiPCO funziona ad alta temperatura 900-1100 ° C e ad alta pressione ~ 30-50 bar. Usa il monossido di carbonio come fonte di carbonio e il nichel / ferro penta carbonile come catalizzatore. Questi catalizzatori agiscono come il sito di nucleazione per la crescita dei nanotubi.

Le matrici di nanotubi di carbonio allineate verticalmente sono anche coltivate mediante deposizione di vapore chimico termico. Un substrato (quarzo, silicio, acciaio inossidabile, ecc.) È rivestito con uno strato di metallo catalitico (Fe, Co, Ni). Tipicamente, questo strato è di ferro e viene depositato tramite sputtering allo spessore di 1-5 nm. Spesso un sottostrato di allumina di 10-50 nm viene anche depositato sul substrato. Ciò conferisce bagnabilità controllabile e buone proprietà interfacciali. Quando il substrato viene riscaldato alla temperatura di crescita (~ 700 ° C), il film di ferro continuo si rompe in piccole isole … ogni isola quindi nuclea un nanotubo di carbonio. Lo spessore sputtered controlla la dimensione dell’isola, e questo a sua volta determina il diametro del nanotubo. Strati di ferro più sottili spingono verso il basso il diametro delle isole, e spingono verso il basso il diametro dei nanotubi cresciuti. La quantità di tempo che l’isola di metallo può sedersi alla temperatura di crescita è limitata, in quanto sono mobili, e può fondersi in isole più grandi (ma meno). La ricottura alla temperatura di crescita riduce la densità del sito (numero di CNT / mm2) mentre aumenta il diametro del catalizzatore.

I nanotubi di carbonio così preparati hanno sempre impurità come altre forme di carbonio (amorfo carbonio, fullerene, ecc.) E impurezze non carboniose (metallo utilizzato per catalizzatore). Queste impurità devono essere rimosse per utilizzare i nanotubi di carbonio nelle applicazioni.

Metrologia
Esistono molti standard di metrologia e materiali di riferimento disponibili per i nanotubi di carbonio.

Per i nanotubi di carbonio a parete singola, ISO / TS 10868 descrive un metodo di misurazione per il diametro, la purezza e la frazione di nanotubi metallici attraverso la spettroscopia di assorbimento ottico, mentre ISO / TS 10797 e ISO / TS 10798 stabiliscono metodi per caratterizzare la morfologia e la composizione elementare di nanotubi di carbonio a parete singola, utilizzando rispettivamente microscopia elettronica a trasmissione e microscopia elettronica a scansione, accoppiata con analisi spettrometrica a raggi X a dispersione di energia.

Per i nanotubi di carbonio a più pareti, ISO / TR 10929 identifica le proprietà di base e il contenuto di impurità, mentre ISO / TS 11888 descrive la morfologia mediante microscopia elettronica a scansione, microscopia elettronica a trasmissione, viscosimetria e analisi di diffusione della luce. ISO / TS 10798 è valido anche per i nanotubi di carbonio a più pareti.

Modifica chimica
I nanotubi di carbonio possono essere funzionalizzati per raggiungere le proprietà desiderate che possono essere utilizzate in un’ampia varietà di applicazioni. I due principali metodi di funzionalizzazione dei nanotubi di carbonio sono le modifiche covalenti e non covalenti. A causa della loro apparente natura idrofobica, i nanotubi di carbonio tendono ad agglomerarsi ostacolando la loro dispersione in solventi o fusioni viscosi di polimeri. I fasci di nanotubi risultanti o gli aggregati riducono le prestazioni meccaniche del composito finale. La superficie dei nanotubi di carbonio può essere modificata per ridurre l’idrofobicità e migliorare l’adesione interfacciale a un polimero sfuso attraverso l’attacco chimico.

Anche la superficie dei nanotubi di carbonio può essere fluorurata o alofluorurata mediante metodo CVD con fluorocarburi, idrocarburi o alofluorocarburi riscaldando a contatto di tale materiale di carbonio con sostanza fluoroorganica per formare carboni parzialmente fluorurati (i cosiddetti materiali Fluocar) con fluoroalchile innestato (alogeno) funzionalità.

applicazioni

attuale
L’uso corrente e l’applicazione di nanotubi è stato per lo più limitato all’uso di nanotubi di massa, che è una massa di frammenti di nanotubi piuttosto non organizzati. I materiali di nanotubi di massa non possono mai raggiungere una resistenza alla trazione simile a quella dei singoli tubi, ma tali compositi possono, tuttavia, fornire resistenze sufficienti per molte applicazioni. I nanotubi di massa di carbonio sono già stati usati come fibre composite in polimeri per migliorare le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche del prodotto sfuso.

Easton-Bell Sports, Inc. ha collaborato con Zyvex Performance Materials, utilizzando la tecnologia CNT in numerosi componenti per biciclette, tra cui manubri piatti e montanti, manovelle, forcelle, reggisella, aste e barre aerodinamiche.
Zyvex Technologies ha anche costruito una nave marittima da 54 ‘, il piranha Unmanned Surface Vessel, come dimostratore tecnologico di ciò che è possibile utilizzando la tecnologia CNT. I CNT aiutano a migliorare le prestazioni strutturali della nave, risultando in una barca leggera da 8.000 libbre che può trasportare un carico utile di 15.000 libbre su un raggio di 2.500 miglia.
Amroy Europe Oy produce resine nanoepossidiche di carbonio Hybtonite in cui i nanotubi di carbonio sono stati chimicamente attivati ​​per legarsi all’epossidico, ottenendo un materiale composito dal 20% al 30% più resistente di altri materiali compositi. È stato utilizzato per turbine eoliche, vernici marine e una varietà di attrezzi sportivi come sci, bastoni da hockey, mazze da baseball, frecce da caccia e tavole da surf.
La Boeing Company ha brevettato l’uso di nanotubi di carbonio per il monitoraggio della salute strutturale dei compositi utilizzati nelle strutture degli aerei. Questa tecnologia ridurrà notevolmente il rischio di un guasto in volo causato dal degrado strutturale degli aerei.

Altre applicazioni correnti includono:

punte per sonde al microscopio a forza atomica
nell’ingegneria dei tessuti, i nanotubi di carbonio possono fungere da impalcatura per la crescita ossea

La ricerca attuale per le moderne applicazioni include:

utilizzando nanotubi di carbonio come impalcatura per diverse tecniche di microfabbricazione.
dissipazione di energia in nanostrutture autorganizzate sotto l’influenza di un campo elettrico.
utilizzando nanotubi di carbonio per il monitoraggio ambientale grazie alla loro superficie attiva e alla loro capacità di assorbire i gas.

Potenziale
La forza e la flessibilità dei nanotubi di carbonio li rendono di potenziale utilizzo nel controllo di altre strutture su scala nanometrica, il che suggerisce che avranno un ruolo importante nell’ingegneria delle nanotecnologie. La resistenza a trazione più elevata di un singolo nanotubo di carbonio a parete multipla è stata testata con 63 GPa. I nanotubi di carbonio sono stati trovati in acciaio di Damasco dal 17 ° secolo, forse contribuendo a rendere conto della leggendaria forza delle spade che ne sono state fatte. Recentemente, diversi studi hanno evidenziato la prospettiva di utilizzare nanotubi di carbonio come elementi costitutivi per fabbricare dispositivi tridimensionali macroscopici (> 1 mm in tutte e tre le dimensioni) completamente in carbonio. Lalwani et al. hanno riportato un nuovo metodo di reticolazione termica avviato radicalmente per fabbricare scaffold macroscopici, autoportanti, porosi e completamente al carbonio utilizzando nanotubi di carbonio a parete singola e multipla come elementi costitutivi. Questi scaffold possiedono pori macro, micro e nano-strutturati e la porosità può essere adattata per applicazioni specifiche. Questi scaffold / architetture 3D interamente in carbonio possono essere utilizzati per la fabbricazione della prossima generazione di accumulo di energia, supercondensatori, transistor di emissione di campo, catalisi ad alte prestazioni, fotovoltaico e dispositivi e impianti biomedici.

I CNT sono potenziali candidati per il futuro via e materiale di filo nei circuiti VLSI su scala nanometrica. Eliminando i problemi di affidabilità dell’elettromigrazione che affliggono le attuali interconnessioni di Cu, i CNT isolati (a singola o multipla parete) possono trasportare densità di corrente superiori a 1000 MA / sq-cm senza danni da elettromigrazione.

Grandi quantità di CNT puri possono essere trasformate in una lastra o pellicola indipendente mediante la tecnica di fabbricazione di colata su nastro (SETC), che è un metodo scalabile per fabbricare fogli flessibili e pieghevoli con proprietà superiori. Un altro fattore di forma segnalato è la fibra CNT (ovvero il filamento) mediante rotazione a umido. La fibra viene direttamente filata dal vaso di sintesi o filata da CNT disciolti pre-fatti. Le singole fibre possono essere trasformate in un filato.Oltre alla sua forza e flessibilità, il vantaggio principale è quello di realizzare un filo conduttore elettrico. Le proprietà elettroniche delle singole fibre CNT (cioè il fascio di singoli CNT) sono governate dalla struttura bidimensionale dei CNT. Le fibre sono state misurate per avere una resistività di un solo ordine di grandezza superiore a quella dei conduttori metallici a 300K.Ottimizzando ulteriormente le fibre CNT e CNT, potrebbero essere sviluppate fibre CNT con proprietà elettriche migliorate.

I filati a base di CNT sono adatti per applicazioni nel trattamento delle acque energetiche ed elettrochimiche quando sono rivestiti con una membrana a scambio ionico. Inoltre, i filati a base di CNT potrebbero sostituire il rame come materiale di avvolgimento. Pyrhönen et al. (2015) hanno costruito un motore utilizzando l’avvolgimento CNT.

Sicurezza e salute
L’Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH) è la principale agenzia federale degli Stati Uniti che conduce ricerche e fornisce indicazioni sulle implicazioni in materia di sicurezza sul lavoro e salute e applicazioni della nanotecnologia. Primi studi scientifici hanno indicato che alcune di queste particelle su scala nanometrica possono rappresentare un rischio per la salute maggiore rispetto alla maggior quantità di questi materiali.Nel 2013, NIOSH ha pubblicato un bollettino di intelligenza attuale che descrive in dettaglio i rischi e il limite di esposizione consigliato per i nanotubi di carbonio e le fibre.

A partire da ottobre 2016, il sistema REACH (Registrazione, Valutazione, Autorizzazione e restrizione dei prodotti chimici) dell’Unione Europea, si basa sulla valutazione delle proprietà potenzialmente pericolose di SWCNT. Sulla base di questa registrazione, la competenza di SWCNT è consentita nell’UE fino a 10 tonnellate. Il tipo di SWCNT registrato tramite REACH è limitato al tipo specifico di nanotubi di carbonio a parete singolo prodotto da OCSiAl, che ha presentato l’applicazione.