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NANOTUBI IN CARBONIO Allievo ingegnere Professore Allievo ingegnere Professore RAFFAELLA ATTANASI ANTONIO LICCIULLI UNIVERSITA DEGLI STUDI DI LECCE C.D.L.

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Presentazione sul tema: "NANOTUBI IN CARBONIO Allievo ingegnere Professore Allievo ingegnere Professore RAFFAELLA ATTANASI ANTONIO LICCIULLI UNIVERSITA DEGLI STUDI DI LECCE C.D.L."— Transcript della presentazione:

1 NANOTUBI IN CARBONIO Allievo ingegnere Professore Allievo ingegnere Professore RAFFAELLA ATTANASI ANTONIO LICCIULLI UNIVERSITA DEGLI STUDI DI LECCE C.D.L. INGEGNERIA DEI MATERIALI SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI CERAMICI A.A. 2002/03

2 Perché i nanotubi Definizione Proprietà e Applicazioni Metodi di Sintesi Tecniche di Purificazione Conclusioni INDICE

3 Il nanotubo è la fibra più resistente che si conosca sebbene sia circa 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?

4 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

5 Un SWNT ideale può essere descritto come un tubo in carbonio formato da uno strato di grafite arrotolato a formare un cilindro, chiuso allestremità da 2 calotte emisferiche Definizione: SWNT

6 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 nm L/ = 10 4 ÷ 10 5 struttura monodimensionale Definizione: SWNT

7 Ogni SWNT è caratterizzato da: o diametro o vettore chirale (n,m) o elicità, ovvero la direzione di arrotolamento della grafite in rapporto allasse del tubo Nanotubo (10, 10) Armchair Definizione: SWNT Nanotubo (9, 0) Zig-Zag

8 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

9 Proprietà meccaniche Conduttività Adsorbimento dei gas e capillarità Emissione di campo Fluorescenza PROPRIETÀ

10 La resistenza meccanica è dovuta al legame C-C sp 3, uno dei più forti esistenti in natura PROPRIETÀ MECCANICHE PROPRIETASWNT Fibre di carbonio MODULO DI YOUNG 1 TPa 840 GPa RESISTENZA A TRAZIONE 30 GPa5.5 GPa La flessibilità è tale da permettere di piegare i nanotubi ripetutamente fino a circa 90°, senza romperli o danneggiarli

11 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

12 PROPRIETASWNTRame CONDUTTIVITA ELETTRICA10 4 (Ω-cm) (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 diametro Da qui lappellativo di semimetallo o semiconduttore a gap zero

13 Conduttività gli elettroni possono attraversarli da unestremità allaltra 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

14 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

15 CAPILLARITÀ Forte capillarità dovuta alla forma tubolare Elevato rapporto superficie/peso + rendono i nanotubi ideali per ladsorbimento di gas

16 Celle a combustibile POSSIBILI APPLICAZIONI Capillarità METODO DI STOCCAGGIO IDROGENO STOCCATO (kg/dm 3 ) PERCENTUALE DI H 2 IN PESO Idrogeno gassoso (200 atm)1.64* Idrogeno liquido Carbone attivo Nanofibre0.763 Nanotubi ossidati0.055 Nanotubi drogati con litio0.220

17 EMISSIONE DI CAMPO Processo attraverso il quale un dispositivo emette elettroni, in seguito allapplicazione di un campo elettrico o un voltaggio. Nei nanotubi lemissione di campo si verifica applicando un potenziale di sole poche centinaia di volts. Essi sono in grado di emettere correnti elevate, dellordine di 0.1 mA, una densità di corrente eccezionale per un oggetto così piccolo.

18 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 lemissione di campo nei nanotubi possono essere un vantaggio in molte applicazioni industriali

19 FLUORESCENZA La fluorescenza si verifica quando una sostanza assorbe una lunghezza donda della luce ed emette una lunghezza donda 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 allinterno 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.

20 METODI DI SINTESI Vaporizzazione laser Arco elettrico CVD (Chemical vapor deposition) Sintesi mediante forno solare

21 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 A La temperatura tra i due elettrodi raggiunge i 4000°C il carbonio dellanodo sublima, in parte sotto forma di nanotubi Tecniche di sintesi

22 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

23 SINTESI MEDIANTE FORNO SOLARE Sistema che utilizza lenergia solare, concentrata per mezzo di un forno solare a specchio parabolico, per vaporizzare la grafite mescolata al catalizzatore (cobalto,nichel, ittrio) Tecniche di sintesi

24 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

25 Arco elettrico Ablazione laser CVD Soft lithography ESEMPI

26 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)

27 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

28 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!

29 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 (HNO 3, HF), che dissolvono il supporto; -filtrazione; -essiccazione

30 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


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