NANOTUBI DI CARBONIO: STRUTTURA, PROPRIETÀ, APPLICAZIONI, TOSSICITÀ - CHIMICA - 2024

I nanotubi di carbonio sono tubi o cilindri molto piccoli e sottilissimi formati solo da atomi di carbonio (C). La sua struttura tubolare è visibile solo tramite microscopi elettronici. È un materiale nero solido, costituito da fasci molto piccoli o fasci di diverse dozzine di nanotubi, intrecciati insieme per formare una rete complicata.

Il prefisso "nano" significa "molto piccolo". La parola "nano" utilizzata nella misurazione significa che è un miliardesimo di una misurazione. Ad esempio, un nanometro (nm) è un miliardesimo di metro, ovvero 1 nm = ^10-9 m.

Campione di nanotubi di carbonio. Si può vedere che è un solido nero con un aspetto simile al carbonio. Shaddack. Fonte: Wikimedia Commons.

Ogni minuscolo nanotubo di carbonio è costituito da uno o più fogli di grafite avvolti su se stessi. Sono classificati in nanotubi a parete singola (un unico foglio arrotolato) e nanotubi a parete multipla (due o più cilindri uno dentro l'altro).

I nanotubi di carbonio sono molto resistenti, hanno un'elevata resistenza alla rottura e sono molto flessibili. Conducono molto bene il calore e l'elettricità. Costituiscono anche un materiale molto leggero.

Queste proprietà li rendono utili in vari campi di applicazione, come l'industria automobilistica, aerospaziale ed elettronica, tra gli altri. Sono stati utilizzati anche in medicina, ad esempio per trasportare e fornire farmaci antitumorali, vaccini, proteine, ecc.

Tuttavia, la sua manipolazione deve essere eseguita con dispositivi di protezione poiché se inalati possono causare danni ai polmoni.

Scoperta dei nanotubi di carbonio

Ci sono opinioni diverse nella comunità scientifica su chi ha scoperto i nanotubi di carbonio. Sebbene ci siano molti documenti di ricerca su questi materiali, di seguito vengono menzionate solo alcune date importanti.

- Nel 1903, lo scienziato francese Pélabon osservò i filamenti di carbonio in un campione (i microscopi elettronici non erano ancora disponibili a questa data).

- Nel 1950, il fisico Roger Bacon della compagnia Union Carbide stava studiando alcuni campioni di fibre di carbonio e osservò immagini di nano-fluff o nanobigot (nanowhisker) dritti e cavi.

- Nel 1952, gli scienziati russi Radushkevich e Lukyanovich pubblicarono foto di immagini di nanotubi di carbonio sintetizzati da loro stessi e ottenuti con un microscopio elettronico, dove si osserva chiaramente che sono cavi.

- Nel 1973, gli scienziati russi Bochvar e Gal'pern completarono una serie di calcoli dei livelli energetici degli orbitali molecolari, mostrando che i fogli di grafite possono torcersi su se stessi per formare "molecole cave".

- Nel 1976, Morinobu Endo osservò le fibre di carbonio con un centro incavato prodotto dalla pirolisi di benzene e ferrocene a 1000 ° C (la pirolisi è un tipo di decomposizione che si verifica con riscaldamento a temperature molto elevate in assenza di ossigeno).

- Nel 1991, l'entusiasmo per i nanotubi di carbonio è stato acceso dopo che Sumio Iijima ha sintetizzato aghi di carbonio realizzati da tubi cavi utilizzando la tecnica dell'arco elettrico.

- Nel 1993, Sumio Iijima e Donald Bethune (lavorando indipendentemente l'uno dall'altro) scoprirono simultaneamente nanotubi di carbonio a parete singola.

Interpretazioni di alcune delle fonti consultate

Secondo alcune fonti di informazione, forse il merito della scoperta di nanotubi di carbonio dovrebbe andare agli scienziati russi Radushkevich e Lukyanovich nel 1952.

Si pensa che non sia stato dato loro il meritato merito perché a quel tempo esisteva la cosiddetta "guerra fredda" e gli scienziati occidentali non avevano accesso agli articoli russi. Inoltre, non molti sono stati in grado di tradurre dal russo, il che ha ulteriormente ritardato l'analisi all'estero delle loro ricerche.

In molti articoli si dice che Iijima sia stato colui che ha scoperto i nanotubi di carbonio nel 1991. Tuttavia, alcuni ricercatori stimano che l'impatto del lavoro di Iijima sia dovuto al fatto che la scienza aveva già raggiunto un grado di maturità sufficiente per apprezzare l'importanza dei nanotubi di carbonio. nanomateriali.

Alcuni dicono che in quei decenni i fisici in genere non leggevano articoli sulle riviste di chimica, dove si parlava già di nanotubi di carbonio, e che per questo furono "sorpresi" dall'articolo di Iijima.

Ma tutto ciò non sminuisce l'alta qualità del lavoro di Iijima del 1991. E la differenza di opinione rimane.

Nomenclatura

- Nanotubi di carbonio, o CNT (Carbon NanoTubes).

- Nanotubi di carbonio a parete singola o SWCNT (nanotubi di carbonio a parete singola).

- Nanotubi di carbonio a parete multipla o MWCNT (nanotubi di carbonio a parete multipla).

Struttura

Struttura fisica

I nanotubi di carbonio sono tubi o cilindri molto sottili e piccoli la cui struttura può essere vista solo con un microscopio elettronico. Sono costituiti da un foglio di grafite (grafene) arrotolato in un tubo.

Un nanotubo di carbonio è un foglio laminato di grafite o grafene: (a) immagine teorica di foglio di grafite, (b) immagine teorica di foglio laminato o nanotubo di carbonio. OpenStax. Fonte: Wikimedia Commons.

Sono molecole cilindriche svuotate composte esclusivamente da atomi di carbonio. Gli atomi di carbonio sono disposti sotto forma di piccoli esagoni (poligoni a 6 facce) simili al benzene e collegati tra loro (anelli di benzene condensati).

Disegno di un nanotubo di carbonio dove si possono vedere i piccoli esagoni di 6 atomi di carbonio. Utente: Gmdm. Fonte: Wikimedia Commons.

I tubi possono o non possono essere tappati alle loro aperture e possono essere estremamente lunghi rispetto ai loro diametri. Sono equivalenti a fogli di grafite (grafene) arrotolati in tubi senza saldatura.

Struttura chimica

I CNT sono strutture poliaromatiche. I legami tra gli atomi di carbonio sono covalenti (cioè non sono ionici). Questi collegamenti sono all'interno dello stesso piano e sono molto forti.

La forza dei legami C = C rende i CNT molto rigidi e forti. In altre parole, le pareti di questi tubi sono molto resistenti.

I giunti fuori piano sono molto deboli, il che significa che non ci sono giunti forti tra un tubo e l'altro. Tuttavia, sono forze attrattive che consentono la formazione di fasci o fasci di nanotubi.

Classificazione in base al numero di tubi

I nanotubi di carbonio sono divisi in due gruppi: nanotubi a parete singola o SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube) e nanotubi a parete multipla o MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Tipi di nanotubi: (1) immagine reale di nanotubi a più pareti, (2) disegno di nanotubi a parete singola, (3) disegno di fogli di grafite o grafene. W2raphael. Fonte: Wikimedia Commons.

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono costituiti da un unico foglio di grafene arrotolato in un cilindro, dove i vertici degli esagoni si incastrano perfettamente per formare un tubo senza saldatura.

I nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) sono costituiti da cilindri concentrici posti attorno a un centro cavo comune, ovvero due o più cilindri cavi posti l'uno dentro l'altro.

I nanotubi a parete multipla sono costituiti da due o più cilindri uno dentro l'altro. Eric Wieser. Fonte: Wikimedia Commons.

Immagine reale di un nanotubo di carbonio a più pareti ottenuto con un microscopio elettronico. Oxirane. Fonte: Wikimedia Commons.

Classificazione in base alla forma dell'avvolgimento

A seconda del modo in cui viene arrotolato il foglio di grafene, il motivo formato dagli esagoni nei CNT può essere: a forma di poltrona, a zigzag ed elicoidale o chirale. E questo influenza le sue proprietà.

Immagine reale di nanotubi di carbonio chirale o elicoidale. Taner Yildirim (The National Institute of Standards and Technology - NIST). Fonte: Wikimedia Commons.

Proprietà fisiche

I nanotubi di carbonio sono solidi. Si uniscono per formare mazzi, fasci, fasci o "stringhe" di diverse dozzine di nanotubi, intrecciati insieme per formare una rete molto densa e complicata.

Immagine reale di nanotubi di carbonio ottenuta con un microscopio elettronico. Si può vedere che formano fasci che si intrecciano l'uno con l'altro. Scienziato dei materiali su Wikipedia in inglese. Fonte: Wikimedia Commons.

Hanno una resistenza alla trazione maggiore di quella dell'acciaio. Ciò significa che hanno un'elevata resistenza alla rottura quando sottoposti a stress. In teoria possono essere centinaia di volte più resistenti dell'acciaio.

Sono molto elastici, possono essere piegati, attorcigliati e piegati senza danneggiarsi per poi tornare alla loro forma iniziale. Sono molto leggeri.

Sono buoni conduttori di calore ed elettricità. Si dice che abbiano un comportamento elettronico molto versatile o che abbiano un'elevata conduttività elettronica.

I tubi CNT i cui esagoni sono disposti a forma di poltrona hanno un comportamento metallico o simile a quello dei metalli.

Quelli disposti a zig-zag ed elicoidali possono essere metallici e semiconduttori.

Proprietà chimiche

A causa della forza dei legami tra i loro atomi di carbonio, i CNT possono resistere a temperature molto elevate (750 ° C a pressione atmosferica e 2800 ° C sotto vuoto).

Le estremità dei nanotubi sono chimicamente più reattive della parte cilindrica. Se sono soggetti ad ossidazione, le estremità vengono ossidate per prime. Se i tubi sono chiusi le estremità si aprono.

Quando trattati con acido nitrico HNO ₃ o acido solforico H ₂ SO ₄ in determinate condizioni i CNT possono formare gruppi di tipo carbossilico -COOH o gruppi di tipo chinone O = CC ₄ H ₄ -C = O.

I CNT con diametri più piccoli sono più reattivi. I nanotubi di carbonio possono contenere atomi o molecole di altre specie nei loro canali interni.

solubilità

A causa del fatto che i CNT non hanno alcun gruppo funzionale sulla loro superficie, è molto idrofobo, cioè è estremamente scarsamente compatibile con l'acqua e non è solubile in essa o in solventi organici non polari.

Tuttavia, se reagiscono con alcuni composti, i CNT possono diventare solubili. Ad esempio con acido nitrico HNO ₃ può essere solubilizzato in alcuni solventi di tipo ammidico in determinate condizioni.

Proprietà biochimiche

I nanotubi di carbonio puro sono bioincompatibili, nel senso che non sono compatibili o correlati alla vita o ai tessuti viventi. Generano una risposta immunitaria dal corpo, poiché sono considerati elementi aggressivi.

Per questo motivo, gli scienziati li modificano chimicamente in modo tale che siano accettati dai tessuti del corpo e possano essere utilizzati in applicazioni mediche.

Possono interagire con macromolecole come proteine ​​e DNA, che è la proteina che costituisce i geni degli esseri viventi.

Ottenere

I nanotubi di carbonio sono realizzati in grafite utilizzando varie tecniche come la vaporizzazione a impulsi laser, scariche di arco elettrico e deposizione di vapori chimici.

Sono stati ottenuti anche da un flusso ad alta pressione di monossido di carbonio (CO) mediante crescita catalitica in fase gassosa.

La presenza di catalizzatori metallici in alcuni metodi di produzione aiuta nell'allineamento dei nanotubi a parete multipla.

Tuttavia, un nanotubo di carbonio non è una molecola che risulta sempre la stessa. A seconda del metodo di preparazione e delle condizioni, si ottengono con lunghezza, diametro, struttura, peso differenti e di conseguenza presentano proprietà differenti.

Applicazioni dei nanotubi di carbonio

Le proprietà dei CNT li rendono adatti a un'ampia varietà di usi.

Sono stati utilizzati nei materiali strutturali per l'elettronica, l'ottica, la plastica e altri prodotti nei settori della nanotecnologia, dell'aerospaziale e della produzione automobilistica.

I nanotubi di carbonio hanno molti usi diversi. Questa è un'immagine reale di nanotubi di carbonio ottenuta con un microscopio elettronico. Ilmar Kink. Fonte: Wikimedia Commons.

Composizioni o miscele di materiali con CNT

I CNT sono stati combinati con polimeri per realizzare fibre e tessuti polimerici rinforzati ad alte prestazioni. Ad esempio, sono stati utilizzati per rinforzare le fibre di poliacrilonitrile per scopi di difesa.

Le miscele di CNT con polimeri possono anche essere progettate per possedere diverse proprietà elettricamente conduttive. Migliorano non solo la resistenza e la rigidità del polimero, ma aggiungono anche proprietà di conduttività elettrica.

Anche le fibre e i tessuti CNT sono prodotti con resistenze simili all'alluminio e all'acciaio al carbonio, ma che sono molto più leggeri di questi. L'armatura per il corpo è stata progettata con tali fibre.

Sono stati utilizzati anche per ottenere ceramiche più resistenti.

Dispositivi elettronici

I nanotubi di carbonio hanno un grande potenziale nell'elettronica del vuoto, nei nanodispositivi e nell'accumulo di energia.

I CNT possono funzionare come diodi, transistor e relè (dispositivi elettromagnetici che consentono l'apertura e la chiusura di circuiti elettrici).

Possono anche emettere elettroni se sottoposti a un campo elettrico o se viene applicata una tensione.

Sensori di gas

L'utilizzo di CNT nei sensori di gas permette che questi siano piccoli, compatti e leggeri e che possano essere combinati con applicazioni elettroniche.

La configurazione elettronica dei CNT rende i sensori molto sensibili a quantità estremamente ridotte di gas e, inoltre, i CNT possono essere adattati chimicamente per rilevare gas specifici.

Applicazioni mediche

A causa della loro elevata area superficiale, dell'eccellente stabilità chimica e della struttura poliaromatica ricca di elettroni, i CNT possono adsorbire o coniugarsi con un'ampia varietà di molecole terapeutiche, come farmaci, proteine, anticorpi, enzimi, vaccini, ecc.

Hanno dimostrato di essere ottimi veicoli per il trasporto e la consegna di farmaci, penetrando direttamente nelle cellule e mantenendo intatto il farmaco durante il suo trasporto attraverso il corpo.

Quest'ultimo consente di ridurre la dose del medicinale e la sua tossicità, in particolare i farmaci antitumorali.

I CNT si sono dimostrati utili nelle terapie contro il cancro, le infezioni, la rigenerazione dei tessuti, le malattie neurodegenerative e come antiossidanti.

Sono anche utilizzati nella diagnosi di malattie, in alcune analisi, come i biosensori, la separazione dei farmaci e l'estrazione di composti biochimici.

Vengono anche utilizzati nelle protesi ortopediche e come materiale di supporto per la crescita del tessuto osseo.

Altre app

Sono stati anche suggeriti come materiali per batterie e membrane per celle a combustibile, anodi per batterie agli ioni di litio, supercondensatori e filtri chimici.

La loro elevata conduttività elettrica e relativa inerzia chimica li rendono utili come elettrodi nelle reazioni elettrochimiche.

Possono anche aderire alle particelle reagenti e, a causa della loro ampia area superficiale, possono funzionare come supporti del catalizzatore.

Hanno anche la capacità di immagazzinare idrogeno, che è molto utile nei veicoli che funzionano con detto gas, poiché con i CNT potrebbe essere trasportato in sicurezza.

Tossicità da nanotubi di carbonio

Gli studi hanno rivelato difficoltà nel valutare la tossicità dei CNT. Ciò sembra dipendere da caratteristiche quali lunghezza, rigidità, concentrazione e durata dell'esposizione ai CNT. Dipende anche dal metodo di produzione e dalla purezza dei CNT.

Tuttavia, si consiglia di utilizzare dispositivi di protezione durante la manipolazione dei CNT poiché esistono studi che indicano la loro somiglianza con le fibre di amianto e che l'inalazione di polvere CNT può causare danni ai polmoni.

Tecnico che pesa campioni di nanotubi di carbonio. Puoi vedere gli strumenti protettivi che utilizza. Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro degli Stati Uniti. Fonte: Wikimedia Commons.

Immagine reale di come un nanotubo di carbonio passa attraverso una cellula in un polmone. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova e Dale W. Porter / NIOSH. Fonte: Wikimedia Commons.

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