Cos'è 100 volte più forte dell'acciaio, pesa un sesto di tanto e può essere spezzato come un ramoscello da una minuscola bolla d'aria? La risposta è un nanotubo di carbonio e un nuovo studio degli scienziati della Rice University descrive esattamente come i nanomateriali molto studiati si spezzano quando sottoposti a vibrazioni ultrasoniche in un liquido.

"Troviamo che il vecchio detto 'Mi spezzerò ma non mi piegherò' non regge su scala micro e nanometrica, " ha affermato il ricercatore in ingegneria di Rice Matteo Pasquali, lo scienziato capo dello studio, che appare questo mese in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

I nanotubi di carbonio - tubi cavi di carbonio puro larghi circa quanto un filamento di DNA - sono uno dei materiali più studiati nella nanotecnologia. Per oltre un decennio, gli scienziati hanno utilizzato le vibrazioni ultrasoniche per separare e preparare i nanotubi in laboratorio. Nel nuovo studio, Pasquali e colleghi mostrano come funziona questo processo e perché è dannoso per i lunghi nanotubi. Questo è importante per i ricercatori che vogliono realizzare e studiare lunghi nanotubi.

"Abbiamo scoperto che i nanotubi lunghi e corti si comportano in modo molto diverso quando vengono sonicati, "disse Pasquali, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e di chimica alla Rice. "I nanotubi più corti si allungano mentre i nanotubi più lunghi si piegano. Entrambi i meccanismi possono portare alla rottura".

Scoperto più di 20 anni fa, i nanotubi di carbonio sono uno dei materiali meravigliosi originali della nanotecnologia. Sono cugini stretti del buckyball, la particella la cui scoperta nel 1985 alla Rice ha contribuito a dare il via alla rivoluzione delle nanotecnologie.

I nanotubi possono essere utilizzati in batterie verniciabili e sensori, per diagnosticare e curare malattie, e per i cavi elettrici di nuova generazione nelle reti elettriche. Molte delle proprietà ottiche e materiali dei nanotubi sono state scoperte allo Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology di Rice, e il primo metodo di produzione su larga scala per realizzare nanotubi a parete singola è stato scoperto a Rice dall'omonimo dell'istituto, il compianto Richard Smalley.

"La lavorazione dei nanotubi nei liquidi è importante dal punto di vista industriale, ma è piuttosto difficile perché tendono ad aggregarsi, " ha detto il coautore Micah Green. "Questi grumi di nanotubi non si dissolvono nei comuni solventi, ma la sonicazione può rompere questi gruppi per separarli, cioè., disperdere, i nanotubi".

I nanotubi appena cresciuti possono essere mille volte più lunghi di quanto siano larghi, e sebbene la sonicazione sia molto efficace nel rompere i grumi, rende anche i nanotubi più corti. Infatti, i ricercatori hanno sviluppato un'equazione chiamata "legge di potenza" che descrive quanto sarà drammatico questo accorciamento. Gli scienziati immettono la potenza di sonicazione e la quantità di tempo in cui il campione sarà sonicato, e la legge di potenza dice loro la lunghezza media dei nanotubi che verranno prodotti. I nanotubi si accorciano all'aumentare della potenza e del tempo di esposizione.

"Il problema è che ci sono due diverse leggi di potenza che corrispondono a risultati sperimentali separati, e uno di questi produce una lunghezza molto più corta dell'altro, "Pasqualli ha detto. "Non è che uno sia corretto e l'altro sia sbagliato. Ciascuno è stato verificato sperimentalmente, quindi si tratta di capire il perché. Philippe Poulin ha mostrato per la prima volta questa discrepanza nella letteratura e ha portato il problema alla mia attenzione quando ho visitato il suo laboratorio tre anni fa".

Per indagare su questa discrepanza, Pasquali e i coautori dello studio Guido Pagani, Micah Green e Poulin si sono proposti di modellare accuratamente le interazioni tra i nanotubi e le bolle di sonicazione. Il loro modello informatico, che girava sul supercomputer Cray XD1 di Rice, ha utilizzato una combinazione di tecniche di fluidodinamica per simulare accuratamente l'interazione. Quando il team ha eseguito le simulazioni, hanno scoperto che i tubi più lunghi si comportavano in modo molto diverso dai loro omologhi più corti.

"Se il nanotubo è corto, un'estremità verrà tirata verso il basso dalla bolla che collassa in modo che il nanotubo sia allineato verso il centro della bolla, — disse Pasquali. — In questo caso, il tubo non si piega, ma piuttosto si allunga. Questo comportamento era stato precedentemente previsto, ma abbiamo anche scoperto che i lunghi nanotubi hanno fatto qualcosa di inaspettato. Il modello ha mostrato come la bolla in fase di collasso ha attirato verso l'interno nanotubi più lunghi dal centro, piegandoli e spezzandoli come ramoscelli".

Pasquali ha affermato che il modello mostra come entrambe le leggi di potenza possano essere corrette:una descrive un processo che colpisce i nanotubi più lunghi e un altro descrive un processo che colpisce quelli più corti.

"Ci è voluta una certa flessibilità per capire cosa stava succedendo, "Ha detto Pasquali. "Ma il risultato è che abbiamo una descrizione molto accurata di ciò che accade quando i nanotubi vengono sonicati".