nanotubi in carbonio
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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI LECCE C.D.L. INGEGNERIA DEI MATERIALI. NANOTUBI IN CARBONIO . SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI CERAMICI A.A. 2002/03. Allievo ingegnere Professore RAFFAELLA ATTANASI ANTONIO LICCIULL I. INDICE. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
NANOTUBI IN NANOTUBI IN CARBONIO CARBONIO
Allievo ingegnere ProfessoreAllievo ingegnere ProfessoreRAFFAELLA ATTANASI ANTONIO RAFFAELLA ATTANASI ANTONIO LICCIULLLICCIULLII
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI LECCE
C.D.L. INGEGNERIA DEI MATERIALI
SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI CERAMICI
A.A. 2002/03
Perché i nanotubi
Definizione
Proprietà e Applicazioni
Metodi di Sintesi
Tecniche di Purificazione
Conclusioni
INDICE
Il nanotubo è la fibra più resistente che si conosca sebbene sia circa 50000 volte più sottile di un capello umano
PERCHÈ I NANOTUBI
Il primo a fabbricare un nanotubo è stato nel 1991 Sumio Iijima, un ricercatore della Nec, uno dei colossi giapponesi dell'elettronica.
Inoltre possiede delle proprietà elettriche tali da poter probabilmente soppiantare il silicio nella prossima generazione di chip elettronici
MA COSA HA DI SPECIALE UN NANOTUBO?
I nanotubi si distinguono in:
DEFINIZIONE
-SWNT (Single Wall Nanotubes), ovvero un tubo costituito dalla sola parete esterna
- MWNT (Multi Wall Nanotubes), costituiti da strati multipli concentrici
Un SWNT ideale può essere descritto come un tubo in carbonio formato da uno strato di grafite arrotolato a formare un cilindro, chiuso all’estremità da 2 calotte emisferiche
Definizione: SWNT
Il corpo del SWNT è formato da soli esagoni.Le singole calotte sono costituite da mezza molecola di fullerene, pertanto consistono di esagoni e pentagoni
Struttura del SWNT Fullerene
Le dimensioni caratteristiche sono: = 0.7 ÷ 10 nmL/ = 104 ÷ 105 struttura monodimensionale
Definizione: SWNT
Ogni SWNT è caratterizzato da:o diametroo “vettore chirale” (n,m) o “elicità”, ovvero la direzione di arrotolamento della grafite in rapporto all’asse del tubo
Nanotubo (10, 10) “Armchair”
Definizione: SWNT
Nanotubo (9, 0) “Zig-Zag”
DWNT con e senza interazioni tra pareti
Definizione: MWNT
Un MWNT è costituito da più SWNT concentrici
Eventuali legami tra le pareti pare che stabilizzino la crescita dei nanotubi
• Proprietà meccaniche
• Conduttività
• Adsorbimento dei gas e capillarità
• Emissione di campo
• Fluorescenza
PROPRIETÀ
La resistenza meccanica è dovuta al legame C-C sp3, uno dei più forti esistenti in natura
PROPRIETÀ MECCANICHE
PROPRIETA’ SWNT Fibre di carbonio
MODULO DI YOUNG 1 TPa 840 GPa
RESISTENZA A TRAZIONE 30 GPa 5.5 GPa
La flessibilità è tale da permettere di piegare i nanotubi ripetutamente fino a circa 90°, senza romperli o danneggiarli
POSSIBILI APPLICAZIONI
Fibre di rinforzo nei materiali compositi ad alte prestazioni(in sostituzione delle normali fibre di carbonio, del kevlar o delle fibre di vetro)
Sonde per i microscopi a effetto tunnel (Scanning tunnelling)
Proprietà meccaniche
PROPRIETA’ SWNT RameCONDUTTIVITA’ ELETTRICA 104 (Ω-cm)-1 0.6106 (Ω-
cm)-1
CONDUTTIVITA’ TERMICA 2000 W/mK 400 W/mK
Le buone capacità di conduzione della grafite si ritrovano solo in parte nei nanotubi, che risultano
CONDUTTIVITÀ
IBRIDI ELETTRONICI
Essi si comportano da metallo o da semiconduttore a seconda della loro geometria, e in particolare del loro diametroDa qui l’appellativo di “semimetallo” o “semiconduttore a gap zero”
Conduttività
gli elettroni possono attraversarli da un’estremità all’altra senza scaldarli
Le proprietà di conduzione dei nanotubi possono essere variate drogandoli con atomi di azoto e di boro
I nanotubi, in determinate condizioni, possono comportarsi come conduttori balistici
“Nanocavi” o “cavi quantici”, che potrebbero sostituire il silicio, e consentire il passaggio dalla micro- alla nano-elettronica
POSSIBILI APPLICAZIONI
Conduttività
“Nanodiodi”, formati da due nanotubi (di cui un conduttore e un semiconduttore) fusi tra loro Cannoni elettronici per la produzione di schermi al plasma ad altissima definizione
CAPILLARITÀ
Forte capillarità dovuta alla forma tubolare
Elevato rapporto superficie/peso+
rendono i nanotubi ideali per l’adsorbimento di gas
Celle a combustibile
POSSIBILI APPLICAZIONI
Capillarità
METODO DI STOCCAGGIO
IDROGENO STOCCATO
(kg/dm3)
PERCENTUALE DI H2 IN
PESOIdrogeno gassoso (200 atm) 1.64*10-4 100
Idrogeno liquido 0.071 100
Carbone attivo 0.013 0.5
Nanofibre 0.7 63
Nanotubi ossidati 0.05 5
Nanotubi drogati con litio 0.2 20
EMISSIONE DI CAMPO
Processo attraverso il quale un dispositivo emette elettroni, in seguito all’applicazione di un
campo elettrico o un voltaggio.
Nei nanotubi l’emissione di campo si verifica applicando un potenziale
di sole poche centinaia di volts. Essi sono in grado di emettere
correnti elevate, dell’ordine di 0.1 mA, una densità di corrente
eccezionale per un oggetto così piccolo.
POSSIBILI APPLICAZIONI Emissione di campo
La Samsung ha già prototipato un flat panel display usando nanotubi
Illuminazione e displays
I voltaggi relativamente bassi di cui si ha bisogno per l’emissione di campo nei nanotubi possono essere un vantaggio
in molte applicazioni industriali
FLUORESCENZA
La fluorescenza si verifica quando una sostanza assorbe una lunghezza d’onda
della luce ed emette una lunghezza d’onda differente.
I nanotubi assorbono ed emettono luce nello spettro del vicino
infrarosso APPLICAZIONI
Biosensori ottici basati sui nanotubi potrebbero essere utilizzati per rilevare targets specifici all’interno del corpo umano, come cellule tumorali o tessuti infiammati. Si potrebbe avvolgere i tubi con una proteina in grado di legarsi solo alle cellule target.
METODI DI SINTESI
Vaporizzazione laser
Arco elettrico
CVD (Chemical vapor deposition)
Sintesi mediante forno solare
ARCO ELETTRICO
Tra gli elettrodi di grafite viene applicato un potenziale di circa 20 V
La camera di reazione viene riempita di gas inerte e successivamente posta sotto vuoto controllato
Si avvicinano tra di loro i due elettrodi, fino ad avere una scarica elettrica di 50-200 A
La temperatura tra i due elettrodi raggiunge i 4000°C
il carbonio dell’anodo sublima, in parte sotto forma di nanotubi
Tecniche di sintesi
VAPORIZZAZIONE LASER
La miscela di carbonio e metallo è
vaporizzata tramite un laser
Percentuali molto più elevate (fino al 70-90%) di nanotubi Qualità migliore
Variazione del metodo ad arco elettrico
Tecniche di sintesi
SINTESI MEDIANTE FORNO SOLARESistema che utilizza l’energia solare, concentrata
per mezzo di un forno solare a specchio parabolico, per vaporizzare la grafite mescolata al catalizzatore (cobalto,nichel, ittrio)
Tecniche di sintesi
CHEMICAL VAPOR DEPOSITION
Unico metodo continuo (o semi-continuo) per la produzione di nanotubi
possibili applicazioni a livello industriale
Consiste nella decomposizione di un gas contenente carbonio (idrocarburi, CO, etc.)
su un catalizzatore finemente disperso
Tecniche di sintesi
Arco elettric
o
Ablazione laser
CVD Soft lithograp
hy
ESEMPI
TECNICHE DI PURIFICAZIONE
I nanotubi prodotti sono sempre contaminati da numerosi elementi indesiderati:
• altre forme di carbonio
• particelle metalliche provenienti dal catalizzatore
• granuli di supporto (nel caso di CVD)
ELIMINAZIONE DI FORME DI CARBONIO INDESIDERATE
Tecniche di purificazione
Si utilizzano diversi metodi fisici o chimici:
• Filtrazione• Centrifugazione o microfiltrazione di soluzioni trattate agli ultrasuoni• Cromatografia• Ossidazione o riduzione selettiva
ELIMINAZIONE DELLE PARTICELLE DI CATALIZZATORE
Tecniche di purificazione
Metodi chimici:•Ossidazione•Trattamento con acidi
Metodi fisici:•Sublimazione sotto vuoto ad alta temperatura
Tutte le tecniche risultano comunque non sufficientemente selettive
Vengono distrutti anche i nanotubi!
ELIMINAZIONE DELLE PARTICELLE DEL SUPPORTO
Tecniche di purificazione
Dopo la crescita CVD su catalizzatore supportato occorre separare il supporto inerte dai nanotubi prodotti
Metodo chimico-Trattamento con soluzioni acide (HNO3 , HF), che dissolvono il supporto; -filtrazione;-essiccazione
CONCLUSIONI
Esistono ancora diverse barriere tecnologiche da superare, prima che le
applicazioni su larga scala dei nanotubi di carbonio approdino sul mercato.
Tuttavia le eccezionali proprietà che li contraddistinguono, nonché la loro estrema
versatilità, ne fanno senza dubbio i protagonisti di un futuro non troppo lontano