Applicazioni dei nanotubi di carbonio

Ci sono numerose proprietà e applicazioni dei nanotubi di carbonio che sfruttano appieno le proprietà uniche dei CNT di aspect ratio, resistenza meccanica, conducibilità elettrica e termica. In questo articolo, è stato presentato un elenco di proprietà e applicazioni dei nanotubi di carbonio.

Proprietà e applicazioni dei nanotubi di carbonio

Proprietà dei nanotubi di carbonio

• I nanotubi di carbonio hanno un’alta conduttività termica
• I nanotubi di carbonio hanno un’alta conduttività elettrica
• Il rapporto di aspetto dei nanotubi di carbonio
• I nanotubi di carbonio sono molto elastici ~18% allungamento alla rottura
• I TNT hanno una resistenza alla trazione molto elevata
• I TNT sono altamente flessibili – possono essere piegati considerevolmente senza subire danni
• I TNT hanno un basso coefficiente di espansione termica
• I TNT sono buoni emettitori di campi elettronici

Nanotubi di carbonio Applicazioni

• Emissione di campo dei CNT
• Conducibilità termica dei CNT
• Accumulo di energia dei CNT
• Proprietà conduttive dei CNT
• Adesivo conduttivo dei CNT
• Materiali termici dei CNT
• Elettronica molecolare basata sui CNT
• Applicazioni strutturali dei CNT
• Fibre e tessuti dei CNT fibre e tessuti
• Applicazioni biomediche
• CNTs Air & Filtrazione dell’acqua
• Supporti catalitici dei CNT
• Altre applicazioni dei CNT

Conducibilità elettrica dei CNT

C’è stato un significativo interesse pratico nella conducibilità dei CNT. I CNT con particolari combinazioni di M e N (parametri strutturali che indicano quanto il nanotubo è contorto) possono essere altamente conduttivi, e quindi possono essere considerati metallici. È stato dimostrato che la loro conduttività è funzione del loro diametro e della loro chiralità (grado di torsione). I CNT possono essere semiconduttori o metallici nel loro comportamento elettrico.

La conduttività dei nanotubi a parete multipla (MWNT) è piuttosto intricata. La conduttività di alcuni tipi di CNT strutturati “armchair” sembra essere superiore a quella di altri CNT metallici. Inoltre, le reazioni tra le pareti all’interno dei MWNT sono state trovate per ridistribuire in modo non uniforme la corrente sui singoli tubi. Tuttavia, la corrente non cambia attraverso diverse parti di CNT metallici a parete singola. Tuttavia, il comportamento delle corde di SWNT semiconduttori non è simile, in quanto la corrente di trasporto cambia immediatamente in diverse posizioni sul CNT.

Posizionando elettrodi in diverse parti del CNT, sono state misurate la resistività e la conduttività delle corde di SWNT. La resistività delle corde SWNT era dell’ordine di 10-4 ohm-cm a 27 °C. Questo dimostra che le corde SWNT sono le fibre di carbonio più conduttive che si conoscano. Le corde SWNT sono state in grado di raggiungere una densità di corrente di 107 A/cm2; tuttavia, teoricamente, dovrebbero essere in grado di sostenere densità di corrente stabili molto più elevate, fino a 1013 A/cm2.

È stato riportato che i singoli SWNT possono avere difetti. Inaspettatamente, questi difetti permettono agli SWNT di agire come transistor. Allo stesso modo, combinando insieme i CNT si potrebbero ottenere dispositivi simili a transistor. Un nanotubo con una giunzione naturale (dove una sezione metallica diritta è unita a una sezione semiconduttrice chirale) agisce come un diodo raddrizzante, o un mezzo transistor in una singola molecola. Inoltre, è stato recentemente riportato che gli SWNT possono dirigere segnali elettrici ad alta velocità (fino a 10 GHz) se usati come interconnessioni su dispositivi semiconduttori.

Forza ed elasticità dei CNT

Gli atomi di carbonio del grafene (un singolo foglio di grafite) formano un reticolo planare a nido d’ape, in cui ogni atomo è collegato a tre atomi vicini da un forte legame chimico. Questi forti legami rendono il modulo elastico basale della grafite uno dei più grandi tra i materiali conosciuti. Pertanto, ci si aspetta che i CNT siano le ultime fibre ad alta resistenza. Gli SWNT sono più rigidi dell’acciaio e sono estremamente resistenti ai danni delle forze fisiche. Quando la punta di un nanotubo viene premuta, si piega senza causare alcun danno alla punta, e alla rimozione della forza, la punta ritorna al suo stato originale. Grazie a questa proprietà, i CNT sono molto utili come punte di sonda per la microscopia a scansione ad altissima risoluzione.

È stato abbastanza difficile quantificare questi effetti, e un valore numerico esatto non è stato concordato. Un microscopio a forza atomica (AFM) può essere usato per spingere le estremità non ancorate di un nanotubo indipendente fuori dalla loro posizione di equilibrio e la forza richiesta per spingere il nanotubo può essere misurata. L’attuale valore del modulo di Young degli SWNT è di circa 1 TPa; tuttavia, questo valore è stato incerto, ed è stato riportato un valore di 1,8 TPa. Inoltre, sono stati riportati altri valori notevolmente più alti di questo. Diverse tecniche di misurazione sperimentale potrebbero essere la ragione delle differenze. Altri hanno dimostrato teoricamente che il modulo di Young dipende dalla chiralità e dalle dimensioni degli SWNT, variando da 1,22 a 1,26 TPa. Hanno calcolato un valore di 1,09 TPa per un generico nanotubo. Tuttavia, lavorando con diversi MWNT, altri hanno notato che le misure del modulo dei MWNT con tecniche AFM non hanno una forte dipendenza dal diametro. Invece, essi sostengono che il modulo del MWNT e la quantità di disordine nelle pareti del nanotubo sono correlati. Come previsto, quando i MWNT si rompono, gli strati più esterni si rompono per primi.

Conducibilità termica ed espansione dei CNT

Una nuova ricerca dell’Università della Pennsylvania indica che i CNT potrebbero essere il miglior materiale termoconduttore mai conosciuto dall’uomo. È stato dimostrato che gli SWNT ultra-piccoli mostrano una superconduttività anche al di sotto dei 20 K. La ricerca suggerisce che questi fili esotici, già annunciati per la loro incomparabile forza e la capacità unica di adottare le proprietà elettriche dei metalli perfetti o dei semiconduttori, potrebbero presto trovare applicazioni come condotti di calore in miniatura in una serie di materiali e dispositivi. A causa dei forti legami grafitici C-C in piano, sono resi notevolmente rigidi e forti contro gli sforzi assiali. L’espansione termica in piano quasi nulla, ma la grande espansione interpiano degli SWNT implica un’alta flessibilità e un forte accoppiamento in piano contro le deformazioni non assiali. Sono state proposte molte applicazioni dei CNT, come nei dispositivi di rilevamento e di attuazione, nell’elettronica molecolare su scala nanometrica, o come fibre additive di rinforzo in materiali compositi funzionali.

Sono stati presentati anche i resoconti di molti esperimenti recenti sulla preparazione e la caratterizzazione meccanica dei compositi CNT-polimeri. Queste misurazioni implicano modesti miglioramenti nelle caratteristiche di resistenza delle matrici CNT-embedded rispetto alle matrici polimeriche nude. Esperimenti preliminari e studi di simulazione sulle proprietà termiche dei CNT mostrano una conducibilità termica molto alta. Pertanto, ci si aspetta che i rinforzi di nanotubi nei materiali polimerici migliorino considerevolmente le proprietà termiche e termo-meccaniche dei compositi.

Emissione di campo dei CNT

L’emissione di campo è associata al tunneling di elettroni da una punta metallica nel vuoto, sotto l’applicazione di un forte campo elettrico. L’alto rapporto di aspetto e il piccolo diametro dei CNT sono molto adatti per l’emissione di campo. Un forte campo elettrico si sviluppa all’estremità libera dei CNT supportati anche per tensioni moderate a causa della loro nitidezza. De Heer e collaboratori lo hanno osservato all’EPFL nel 1995. Si è anche subito reso conto che questi emettitori di campo devono essere superiori alle fonti di elettroni tradizionali e potrebbero trovare la loro strada in tutti i tipi di applicazioni, in particolare nei display a schermo piatto. È da notare che Samsung ha effettivamente realizzato un display a colori molto luminoso solo dopo cinque anni, che sarà presto commercializzato usando questa tecnologia.

Durante la loro ricerca sulle proprietà di emissione di campo dei MWNT, Bonard e collaboratori all’EPFL hanno osservato che viene emessa anche luce insieme agli elettroni. Questa luminescenza è indotta dall’emissione di campo degli elettroni, perché non viene rilevata quando il potenziale non è applicato. Questa luce viene emessa nella parte visibile dello spettro e a volte può essere vista a occhio nudo.

CNTs High Aspect Ratio

CNTs rappresentano un additivo conduttivo molto piccolo e ad alto rapporto di aspetto per tutti i tipi di plastica. Il loro alto rapporto d’aspetto significa che è necessario un carico inferiore (concentrazione) di CNT per realizzare la stessa conduttività elettrica rispetto ad altri additivi conduttivi. Questo basso carico non solo preserva una maggiore tenacità delle resine polimeriche, specialmente alle basse temperature, ma mantiene anche le altre principali proprietà prestazionali della resina di matrice. È stato stabilito che i CNT sono un additivo eccezionale per conferire conduttività elettrica alle materie plastiche. Grazie al loro elevato rapporto d’aspetto (circa 1000:1), la conduttività elettrica può essere impartita a carichi inferiori, rispetto ai materiali additivi tradizionali come la fibra di carbonio tagliata, la fibra di acciaio inossidabile o il nerofumo.

Applicazioni dei nanotubi di carbonio

La natura unica del carbonio si combina con la perfezione molecolare dei CNT a parete singola per dotarli di straordinarie proprietà dei materiali, come la conduttività termica ed elettrica molto elevata, la rigidità, la forza e la tenacità. È l’unico elemento della tavola periodica che si lega a se stesso in una rete estesa con la forza del legame carbonio-carbonio. Il pi-elettrone delocalizzato donato da ogni atomo è libero di muoversi in tutta la struttura, invece di rimanere con il suo atomo donatore, dando luogo alla prima molecola conosciuta con conducibilità elettrica di tipo metallico. Inoltre, una conduttività termica intrinseca superiore persino al diamante è offerta dalle vibrazioni ad alta frequenza del legame carbonio-carbonio.

Nella maggior parte dei materiali, tuttavia, a causa della presenza di difetti nella loro struttura, le proprietà effettive del materiale osservate, come la forza, la conduttività elettrica, e così via, sono degradate in modo significativo. Per esempio, l’acciaio ad alta resistenza tipicamente fallisce solo all’1% circa del suo carico di rottura teorico. Tuttavia, i CNT raggiungono valori molto vicini ai loro limiti teorici grazie alla loro perfezione molecolare della struttura. Questo aspetto fa parte della storia unica dei CNT. I CNT sono esempi di vera nanotecnologia: hanno solo un diametro di circa un nanometro, ma sono molecole che possono essere manipolate fisicamente e chimicamente in modi molto utili. Trovano un’incredibile gamma di applicazioni nell’elettronica, nella scienza dei materiali, nella gestione dell’energia, nel trattamento chimico e in molti altri campi.

Conducibilità termica dei CNT

I CNT hanno un’eccezionale conducibilità termica, elettrica e proprietà meccaniche. Sono probabilmente il miglior emettitore di campo elettronico possibile. Sono polimeri di carbonio puro e possono essere fatti e manipolati usando la chimica riconosciuta ed estremamente ricca del carbonio. Questo offre la possibilità di alterare la loro struttura e di ottimizzare la loro dispersione e solubilità. In particolare, i CNT sono molecolarmente perfetti, nel senso che sono generalmente privi di difetti che degradano le proprietà della struttura dei nanotubi. Le loro proprietà materiali possono così avvicinarsi ai livelli molto elevati che sono loro intrinseci. Grazie a queste straordinarie caratteristiche, i CNT possono essere utilizzati prospetticamente in numerose applicazioni.

Applicazioni di emissione di campo dei CNT

I CNT sono i più noti emettitori di campo di qualsiasi materiale. Questo è comprensibile, per quanto riguarda la loro alta conducibilità elettrica, e l’incredibile nitidezza della loro punta (come il raggio di curvatura della punta diventa più piccolo, il campo elettrico sarà più concentrato, con conseguente aumento dell’emissione di campo; questo è lo stesso motivo per cui i parafulmini sono taglienti). Inoltre, la nitidezza della punta indica anche che emettono a una tensione specificamente bassa, un fatto chiave per la costruzione di dispositivi elettrici a bassa potenza che utilizzano questa caratteristica. I CNT possono trasportare una densità di corrente incredibilmente alta, probabilmente fino a 1013 A/cm2. Inoltre, la corrente è estremamente stabile. I display a schermo piatto a emissione di campo sono un’applicazione immediata di questo comportamento, che ha ricevuto un notevole interesse. A differenza dei tradizionali display a tubo catodico, dove viene utilizzato un singolo cannone elettronico, i display basati su CNT utilizzano un cannone elettronico separato (o anche molti di essi) per ogni singolo pixel del display. Le loro basse tensioni di accensione e di funzionamento, l’alta densità di corrente e il comportamento costante e duraturo rendono i CNT molto attraenti come emettitori di campo in questa applicazione. Tipi generali di fonti di illuminazione a catodo freddo a bassa tensione, fonti per microscopi elettronici e parafulmini sono altre applicazioni che utilizzano le caratteristiche di emissione di campo dei CNT.

Plastiche conduttive CNT

Negli ultimi cinque decenni, gran parte della storia della plastica ha coinvolto il loro uso come sostituto dei metalli. Per le applicazioni strutturali, le materie plastiche hanno fatto enormi progressi, ma non dove è necessaria la conduttività elettrica, poiché le materie plastiche sono ottimi isolanti elettrici. Questa carenza può essere eliminata caricando la plastica con riempitivi conduttivi, come il nerofumo e le fibre di grafite più grandi (quelle usate per fare mazze da golf e racchette da tennis). Per offrire la conduttività necessaria usando i riempitivi convenzionali, il carico richiesto è tipicamente alto, tuttavia, portando a parti pesanti e, soprattutto, a parti in plastica le cui proprietà strutturali sono altamente degradate. È ben noto che quando il rapporto d’aspetto delle particelle di riempimento diventa alto, il carico richiesto per ottenere un dato livello di conduttività diventa basso. Per questo motivo, i CNT sono perfetti perché hanno il rapporto d’aspetto più alto di qualsiasi fibra di carbonio. Inoltre, la loro tendenza naturale a formare corde offre percorsi conduttivi intrinsecamente molto lunghi anche a carichi ultra-bassi.

Questo comportamento dei CNT è utilizzato in applicazioni come la dissipazione elettrostatica (ESD); compositi schermanti EMI/RFI; rivestimenti per guarnizioni, involucri e altri usi; materiali che assorbono i radar per applicazioni a bassa visibilità (“stealth”); e materiali antistatici e (anche trasparenti!

CNTs Energy Storage

Le proprietà intrinseche dei CNTs li rendono il materiale preferito per l’uso come elettrodi in condensatori e batterie – due tecnologie di crescente importanza. I CNT possiedono una buona conducibilità elettrica, un’area superficiale estremamente elevata (~1000 m2/g) e, soprattutto, la loro geometria lineare rende la loro superficie molto accessibile all’elettrolita.

La ricerca ha dimostrato che i CNT hanno la più alta capacità reversibile di qualsiasi materiale al carbonio da utilizzare nelle batterie agli ioni di litio. Inoltre, i CNT sono materiali eccellenti per elettrodi di supercapacitori e sono attualmente commercializzati per questa applicazione.

Inoltre, i CNT hanno applicazioni in vari componenti di celle a combustibile. Hanno diverse proprietà, come l’alta conducibilità termica e l’area superficiale, che li rendono preziosi come supporti per catalizzatori di elettrodi nelle celle a combustibile PEM. A causa della loro alta conducibilità elettrica, possono anche essere utilizzati in strati di diffusione del gas, oltre che in collettori di corrente. L’alta resistenza e le caratteristiche di durezza-peso dei CNT possono anche rivelarsi utili come parte di componenti compositi nelle celle a combustibile che sono usate in applicazioni di trasporto, dove la durata è fondamentale.

Adesivi e connettori conduttivi CNT

Le esatte proprietà che rendono i CNT desiderabili come riempitivi conduttivi per l’uso in materiali ESD, schermatura elettromagnetica, e così via li rendono adatti per applicazioni di interconnessione e imballaggio elettronico, compresi i cavi coassiali, composti per invasatura, adesivi e altri tipi di connettori.

Elettronica molecolare CNTs

L’idea di costruire circuiti elettronici a partire dai mattoni fondamentali dei materiali – le molecole – ha visto una crescita negli ultimi cinque anni, ed è una parte vitale della nanotecnologia. In qualsiasi circuito elettronico, ma in particolare quando le dimensioni si riducono alla nanoscala, le interconnessioni tra interruttori e altri dispositivi attivi diventano sempre più essenziali. La loro capacità di essere derivati con precisione, la conducibilità elettrica e la geometria fanno dei CNT i candidati più adatti per le connessioni nell’elettronica molecolare. Inoltre, sono stati mostrati come interruttori stessi.

Materiali termici CNTs

La conducibilità termica anisotropa da record dei CNTs sta aprendo le porte a diverse applicazioni che coinvolgono il trasferimento di calore. Tale applicazione si trova nell’elettronica, in particolare nell’informatica avanzata, dove i chip non raffreddati attualmente superano regolarmente i 100 °C.

La tecnologia per creare strutture allineate e nastri di CNT è un passo avanti verso il raggiungimento di condotti di calore estremamente efficienti. Inoltre, è stato dimostrato che i compositi con CNT aumentano significativamente la loro conduttività termica di massa, anche a carichi incredibilmente piccoli.

Compositi strutturali CNT

Le proprietà superiori dei CNT non si limitano alla conduttività termica ed elettrica, ma includono anche proprietà meccaniche, come la forza, la tenacità e la rigidità. Queste proprietà aprono la strada all’uso in una gamma di applicazioni che le sfruttano, compresi i compositi avanzati che hanno bisogno di valori elevati di una o più di queste proprietà.

Fibre e tessuti CNT

Di recente, sono state dimostrate fibre filate da CNT puro e stanno vivendo un rapido sviluppo, insieme alle fibre composite CNT. Queste fibre super forti avranno diverse applicazioni come tessuti e tessuti, cavi per linee di trasmissione e armature per corpi e veicoli. I CNT sono anche impiegati per rendere i tessuti resistenti alle macchie.

Supporti catalitici CNT

I CNT possiedono intrinsecamente un’area di superficie enormemente alta; in realtà, per gli SWNT, ogni atomo non è solo su una superficie – ma su due superfici, quella interna e quella esterna del nanotubo. Insieme alla capacità di attaccare praticamente qualsiasi specie chimica alle loro pareti laterali (funzionalizzazione) offre una prospettiva per supporti catalizzatori unici. La loro conducibilità elettrica può anche essere usata propiziamente nella ricerca di nuovi catalizzatori e comportamenti catalitici.

Applicazioni biomediche dei CNT

Anche se l’esplorazione dei CNT in applicazioni biomediche è appena in corso, ha un grande potenziale. Poiché gran parte del corpo umano è costituito da carbonio, è solitamente considerato un materiale molto biocompatibile. È stata dimostrata la crescita di cellule su CNTs; quindi, apparentemente non hanno alcun effetto tossico. Le cellule inoltre non aderiscono ai CNT, aprendo le porte ad applicazioni come i rivestimenti anti-fouling per le navi e i rivestimenti per le protesi.

La capacità di funzionalizzare (modificare chimicamente) le pareti laterali dei CNT dà anche origine ad applicazioni biomediche tra cui la crescita e la rigenerazione dei neuroni e gli stent vascolari. È stato anche dimostrato che un singolo filamento di DNA può essere legato a un nanotubo, che successivamente può essere efficacemente inserito in una cellula.

CNTs Air and Water Filtration

Diverse aziende e ricercatori hanno già sviluppato dispositivi di filtraggio dell’acqua e dell’aria basati su CNT. È stato riportato che questi filtri, oltre a bloccare le particelle più piccole, possono anche distruggere la maggior parte dei batteri. Questa è un’altra area in cui i CNT sono già stati commercializzati e i prodotti sono disponibili ora.

Applicazioni della ceramica CNT

Gli scienziati dei materiali della UC Davis hanno prodotto un materiale ceramico rinforzato con nanotubi di carbonio. Il nuovo materiale è significativamente più duro delle ceramiche tradizionali, conduce l’elettricità e può sia condurre il calore che funzionare come barriera termica, in relazione all’orientamento dei nanotubi.

Siccome i materiali ceramici sono molto duri e resistenti al calore e agli attacchi chimici, sono preziosi per applicazioni come il rivestimento delle pale delle turbine; tuttavia, sono anche molto fragili. I ricercatori hanno mescolato l’allumina in polvere (ossido di alluminio) con il 5%-10% di nanotubi di carbonio, oltre al 5% di niobio finemente macinato. La miscela è stata trattata con un impulso elettrico in un processo chiamato dai ricercatori sinterizzazione al plasma. Questo processo colloca le polveri ceramiche più rapidamente e a temperature più basse dei processi tradizionali.

La tenacità alla frattura (resistenza alla rottura sotto stress) del nuovo materiale è fino a cinque volte quella dell’allumina tradizionale. Il materiale mostra una conducibilità elettrica sette volte superiore a quella delle ceramiche precedenti fatte con nanotubi. Ha anche proprietà termiche affascinanti, conducendo il calore in una direzione, lungo l’allineamento dei nanotubi e, d’altra parte, riflettendo il calore ad angolo retto rispetto ai nanotubi, rendendolo un materiale preferito per i rivestimenti di barriera termica.

Altre applicazioni dei nanotubi di carbonio

Ci sono molte altre applicazioni potenziali per i CNT, tra cui la raccolta solare, i filtri nanoporosi, i supporti per catalizzatori e tutti i tipi di rivestimenti. Ci sono quasi certamente diverse applicazioni sorprendenti per questo eccellente materiale che saranno rivelate in futuro, e che potrebbero rivelarsi le più significative e preziose di tutte. Alcuni ricercatori hanno studiato la carta conduttiva e/o impermeabile prodotta con i CNT. È stato anche dimostrato che i CNT assorbono la luce infrarossa e possono avere applicazioni nell’industria ottica I/R.

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