Un tubista sa come eseguire un taglio preciso su un'asta di metallo. Ma è molto più difficile immaginare di ottenere un taglio preciso su un nanotubo di carbonio, con un diametro 1/50, 000esimo lo spessore di un capello umano.

In un articolo pubblicato questo mese sulla rivista britannica Atti della Royal Society A , ricercatori della Brown University e in Corea documentano per la prima volta come vengono tagliati i nanotubi di carbonio a parete singola, una constatazione che potrebbe portare a produrre più precisi, nanotubi di qualità superiore. Tali miglioramenti di produzione probabilmente renderebbero i nanotubi più attraenti per l'uso nel settore automobilistico, biomedicina, elettronica, energia, ottica e molti altri campi.

"Ora possiamo progettare la velocità di taglio e i diametri che vogliamo tagliare, " disse Kyung-Suk Kim, professore di ingegneria presso la School of Engineering di Brown e l'autore corrispondente sul documento.

Le basi della produzione di nanotubi di carbonio sono note. I fogli sottili di grafene a singolo atomo sono immersi in una soluzione (solitamente acqua), facendoli sembrare un piatto di spaghetti aggrovigliati. Il fascio confuso di nanotubi viene quindi fatto saltare da onde sonore ad alta intensità che creano cavità (o vuoti parziali) nella soluzione. Le bolle che nascono da queste cavità si espandono e collassano così violentemente che il calore nel nucleo di ciascuna bolla può raggiungere più di 5, 000 gradi Kelvin, vicino alla temperatura sulla superficie del sole. Nel frattempo, ogni bolla si comprime con un'accelerazione 100 miliardi di volte maggiore della gravità. Considerando l'enorme energia coinvolta, non sorprende che i tubi escano a lunghezze casuali. I tecnici utilizzano i setacci per ottenere tubi della lunghezza desiderata. La tecnica è inesatta in parte perché nessuno era sicuro di cosa avesse causato la frattura dei tubi.

Gli scienziati dei materiali inizialmente pensavano che le temperature super elevate causassero la rottura dei nanotubi. Un gruppo di ricercatori tedeschi ha proposto che siano stati i boomlet sonici causati dal collasso delle bolle a separare i tubi, come una corda tirata così violentemente a ciascuna estremità che alla fine si strappa.

Kim, Il ricercatore postdottorato Brown Huck Beng Chew, e gli ingegneri del Korea Institute of Science and Technology hanno deciso di indagare ulteriormente. Hanno realizzato complesse simulazioni di dinamica molecolare utilizzando una serie di supercomputer per scoprire cosa ha causato la rottura dei nanotubi di carbonio. Hanno scoperto che invece di essere separati, come avevano pensato i ricercatori tedeschi, i tubi venivano compressi potentemente da entrambe le estremità. Ciò ha causato una deformazione in una sezione di circa cinque nanometri lungo i tubi chiamata zona di compressione-concentrazione. In quella zona, il tubo è attorcigliato in pieghe alternate ad angolo di 90 gradi, in modo che assomigli abbastanza a un'elica.

Quella scoperta non ha ancora spiegato completamente come vengono tagliati i tubi. Attraverso simulazioni più computerizzate, il gruppo ha appreso che la potente forza esercitata dai rimbombi sonici delle bolle ha fatto sì che gli atomi venissero sparati dalle fondamenta reticolari del tubo come proiettili di una mitragliatrice.

"È quasi come se si spremesse un'arancia, e il liquido schizza di lato, " Kim ha detto. "Questo tipo di frattura per espulsione dell'atomo per compressione non è mai stato osservato prima in nessun tipo di materiale".

Il team ha confermato le simulazioni computerizzate attraverso test di laboratorio che coinvolgono la sonicazione e la microscopia elettronica di nanotubi di carbonio a parete singola.

Il gruppo ha anche appreso che il taglio di nanotubi di carbonio a parete singola utilizzando onde sonore nell'acqua crea molteplici attorcigliamenti, o aree piegate, lungo la lunghezza dei tubi. I nodi sono "giunzioni intramolecolari altamente attraenti per la costruzione di elettronica su scala molecolare, " hanno scritto i ricercatori.