Data la loro dimensione, resistenza e proprietà elettriche, nanotubi di carbonio — minuscoli, cilindri cavi fatti di atomi di carbonio — promettono una vasta gamma di applicazioni in elettronica, medicina e altri campi. Nonostante lo sviluppo industriale dei nanotubi negli ultimi anni, però, si sa molto poco su come si formano o sugli impatti ambientali della loro fabbricazione.

Si scopre che un processo comunemente usato per produrre nanotubi di carbonio, o CNT, può rilasciare diverse centinaia di tonnellate di sostanze chimiche, compresi i gas serra e gli inquinanti atmosferici pericolosi, nell'aria ogni anno. In un articolo pubblicato la scorsa settimana sul ACS Nano sito web, i ricercatori riferiscono che negli esperimenti, rimuovendo una fase in quel processo - una fase che prevede il riscaldamento di gas a base di carbonio e l'aggiunta di "ingredienti" reattivi chiave - ha ridotto le emissioni di sottoprodotti nocivi almeno di dieci volte e, in alcuni casi, di un fattore 100. Dimezza anche la quantità di energia utilizzata nel processo.

“Siamo stati in grado di fare tutto questo e abbiamo ancora una buona crescita di CNT, "dice Desiree Plata, che ha guidato la ricerca tra il 2007 e il 2009 come studente di dottorato nel programma congiunto del MIT con la Woods Hole Oceanographic Institution. Ora visiting assistant professor nei Dipartimenti di Aeronautica e Astronautica e Ingegneria Civile e Ambientale (CEE) del MIT, Plata ha collaborato al documento con diversi ricercatori del MIT e dell'Università del Michigan, tra cui Philip Gschwend, Ford Professore di Ingegneria nella CEE, e John Hart, professore di ingegneria meccanica all'Università del Michigan. Lo studio fa parte di uno sforzo a lungo termine per cambiare l'approccio allo sviluppo dei materiali in modo che i chimici ambientali lavorino con la giovane industria CNT per sviluppare metodi per prevenire o limitare le conseguenze ambientali indesiderabili.

Nel loro studio, Plata e i suoi colleghi hanno analizzato un comune processo di produzione di CNT noto come deposizione di vapore chimico catalitico. In questo metodo, produttori combinano l'idrogeno con un "gas di carica, ” come il metano, monossido di carbonio o etilene. Quindi riscaldano la combinazione in un reattore che contiene un catalizzatore metallico come nichel o ferro, che poi forma i CNT. Il problema è che una volta formati i CNT, i composti non reagiti (fino al 97 percento della materia prima iniziale) vengono spesso rilasciati nell'aria.

Spegnere il fuoco

In un reattore su scala di laboratorio su misura, i ricercatori hanno riscaldato idrogeno ed etilene, che è comunemente usato nella produzione di CNT ad alto volume, e poi lo ha consegnato a un catalizzatore metallico. Hanno scoperto che si sono formati più di 40 composti, compresi i gas serra come il metano e gli inquinanti atmosferici tossici come il benzene.

I ricercatori sospettavano che non tutti quei composti fossero essenziali per la crescita dei CNT, e sapevano che il riscaldamento del gas di alimentazione svolge un ruolo fondamentale nella creazione dei composti pericolosi. Quindi hanno combinato etilene e idrogeno non riscaldati con molti dei 40 composti, uno per uno, per vedere quale combinazione di composti ha portato alla crescita migliore. Hanno osservato che alcuni alchini, o molecole che hanno almeno due atomi di carbonio attaccati insieme con tre distinti legami, ha prodotto la crescita migliore, mentre altri composti che sono sottoprodotti indesiderati, come metano e benzene, no.

Plata e i suoi colleghi hanno ottenuto la loro drastica riduzione sia delle emissioni nocive che del consumo di energia urtando gli alchini a temperatura ambiente, con etilene e idrogeno, direttamente sul catalizzatore metallico, senza calore. Hanno anche appreso che potevano ridurre la quantità di etilene e idrogeno utilizzati di circa il 20 e il 40 percento, rispettivamente, e ancora ottenere lo stesso tasso e la stessa qualità di crescita CNT. Plata afferma che mentre i risultati degli esperimenti di laboratorio sono difficili da generalizzare, in un mercato che dovrebbe raggiungere diversi miliardi di dollari entro diversi anni, questi cambiamenti potrebbero tradursi in “significativi risparmi sui costi” per i produttori.

Reazione del settore

Sebbene sia troppo presto perché i produttori adottino il metodo presentato nel documento, David Lashmore, vicepresidente e chief technology officer di Concord, Tecnologie Nanocomp basate su N.H., afferma che il metodo è qualcosa che la sua azienda è disposta a provare mentre cerca modi per ridurre al minimo gli effetti ambientali del suo processo di produzione. "Questo è di grande interesse per noi e potrebbe avere un ampio impatto sulla nostra economia di processo, "dice.

Plata sottolinea che lo studio del MIT ha analizzato solo uno dei numerosi gas di alimentazione utilizzati per produrre CNT, e che la stessa analisi va fatta per gli altri. Ma da parte sua, ora si sta concentrando su come si formano i CNT, cercando di determinare l'esatta interazione del catalizzatore metallico e degli idrocarburi in questo processo. Conoscere il ruolo del catalizzatore potrebbe aiutare i ricercatori a manipolare la formazione dei CNT atomo per atomo, molto più precisamente di quanto possano fare ora, lei dice.