Nanotubi di carbonio: struttura e proprietà

Immaginiamo di arrotolare un singolo foglio di atomi di carbonio in un cilindro sottilissimo: il risultato è un nanotubo di carbonio, una struttura larga qualche nanometro ma lunga migliaia di volte tanto, tra i materiali più resistenti mai misurati e, a seconda di come è arrotolato, ottimo conduttore o semiconduttore. Sintetizzati per la prima volta nel 1991, i nanotubi restano uno dei materiali più studiati dell’era nanotecnologica.

Vediamo come sono fatti i nanotubi, da dove vengono le loro proprietà meccaniche ed elettriche straordinarie, perché la struttura ne governa il comportamento e a cosa servono.

Una struttura arrotolata di carbonio

Un nanotubo è essenzialmente uno strato di grafene — un reticolo esagonale di atomi di carbonio — chiuso su sé stesso a formare un cilindro. Nel piano del reticolo gli atomi di carbonio sono legati saldamente in anelli esagonali, con distanze interatomiche di circa 0,142 nanometri: gli stessi legami covalenti fortissimi che danno al carbonio le sue proprietà migliori. Esistono nanotubi a parete singola (un solo cilindro) e a parete multipla (più cilindri concentrici).

Resistenza meccanica eccezionale

I legami carbonio-carbonio nel piano del reticolo sono tra i più forti in natura, ed è per questo che i nanotubi hanno una resistenza alla trazione e una rigidità per unità di peso senza pari: si parla di resistenze nell’ordine delle decine di gigapascal e di moduli elastici dell’ordine del terapascal, valori molto superiori a quelli dell’acciaio a parità di peso. Un nanotubo è anche estremamente flessibile e leggero. Il limite pratico è che queste proprietà valgono per il singolo nanotubo: trasferirle a un materiale macroscopico, fatto di miliardi di nanotubi, è una sfida ancora aperta.

rapporto d’aspetto = lunghezzadiametro ≫ 1  ·  tubo lungo e sottile, altissima superficie esposta

Conduttore o semiconduttore secondo la geometria

La proprietà più curiosa dei nanotubi è che il loro comportamento elettrico dipende da come il foglio di grafene è stato arrotolato — cioè dalla cosiddetta «chiralità» del tubo. A seconda dell’angolo di arrotolamento, un nanotubo può comportarsi come un metallo, conducendo elettricità lungo l’asse con efficienza altissima, oppure come un semiconduttore, utilizzabile in dispositivi elettronici. Questa dipendenza struttura-proprietà è ciò che rende i nanotubi affascinanti per l’elettronica, ma anche difficili da impiegare: una sintesi tipica produce una miscela di tubi metallici e semiconduttori che vanno poi separati.

Le applicazioni

I nanotubi trovano impiego soprattutto come rinforzo in materiali compositi, dove anche piccole aggiunte migliorano resistenza meccanica, conducibilità elettrica e termica; come additivi conduttivi negli elettrodi delle batterie; in rivestimenti antistatici; e, in prospettiva, in dispositivi elettronici di nuova generazione. Restano un materiale relativamente costoso e di nicchia, ma le loro proprietà uniche ne fanno uno dei candidati più promettenti per molte tecnologie future, come spiega anche l’articolo dedicato al grafene da cui derivano strutturalmente.

Perché conta nella pratica

Per chi lavora con materiali avanzati, i nanotubi rappresentano sia un’opportunità sia un banco di prova del divario tra proprietà di laboratorio e prestazioni industriali. Conoscere il legame tra struttura e proprietà — perché un nanotubo è così resistente, perché può essere conduttore o semiconduttore, perché la sintesi ne complica l’uso — è essenziale per valutare realisticamente quando e dove convenga impiegarli, distinguendo le applicazioni mature (rinforzo, additivi conduttivi) da quelle ancora sperimentali.

Domande frequenti

Che cos’è un nanotubo di carbonio?

È una struttura tubolare ottenuta arrotolando a cilindro uno o più strati di grafene, cioè un reticolo esagonale di atomi di carbonio. Ha un diametro di pochi nanometri e una lunghezza molto maggiore. I forti legami covalenti nel piano gli conferiscono proprietà meccaniche eccezionali, mentre il modo in cui è arrotolato ne determina il comportamento elettrico.

Perché i nanotubi sono così resistenti?

Perché i legami carbonio-carbonio nel piano del reticolo sono tra i più forti in natura. Questo dà al singolo nanotubo una resistenza alla trazione nell’ordine delle decine di gigapascal e una rigidità per unità di peso molto superiore a quella dell’acciaio. La difficoltà sta nel trasferire queste proprietà a un materiale macroscopico fatto di miliardi di nanotubi.

Perché un nanotubo può essere conduttore o semiconduttore?

Perché il suo comportamento elettrico dipende dall’angolo con cui il foglio di grafene è stato arrotolato, la cosiddetta chiralità. Alcune geometrie rendono il nanotubo metallico, conducendo con grande efficienza lungo l’asse; altre lo rendono semiconduttore. È una dipendenza diretta tra struttura e proprietà, affascinante ma difficile da controllare in produzione.

Perché l’uso industriale dei nanotubi è ancora limitato?

Soprattutto per il costo e per la difficoltà di ottenere popolazioni omogenee: una sintesi tipica produce un misto di chiralità, cioè di tubi metallici e semiconduttori, che per l’elettronica vanno separati con processi costosi. Inoltre trasferire le proprietà del singolo tubo a un materiale macroscopico è complesso. Restano quindi un materiale di nicchia, pur promettente.

A cosa servono oggi i nanotubi di carbonio?

Principalmente come rinforzo in compositi, dove migliorano resistenza meccanica e conducibilità anche in piccole quantità, come additivi conduttivi negli elettrodi delle batterie e in rivestimenti antistatici. Le applicazioni elettroniche avanzate sono ancora largamente sperimentali. Il loro impiego cresce dove le proprietà uniche giustificano il costo elevato del materiale.