Nanofili e nanotubi, strutture snelle che sono solo pochi miliardesimi di metro di diametro ma molte migliaia o milioni di volte più lunghe, sono diventati materiali caldi negli ultimi anni. Esistono in molte forme:fatte di metalli, semiconduttori, isolanti e composti organici, e sono in fase di studio per l'uso in elettronica, conversione di energia, ottica e rilevamento chimico, tra gli altri campi.

La scoperta iniziale dei nanotubi di carbonio:minuscoli tubi di carbonio puro, essenzialmente fogli di grafene arrotolati fino a formare un cilindro, è generalmente attribuito a un articolo pubblicato nel 1991 dal fisico giapponese Sumio Ijima (sebbene alcune forme di nanotubi di carbonio fossero state osservate in precedenza). Quasi immediatamente, c'è stata un'esplosione di interesse per questa forma esotica di un materiale comune. Nanofili:fibre cristalline solide, piuttosto che tubi cavi, guadagnò un'importanza simile pochi anni dopo.

Per la loro estrema snellezza, sia i nanotubi che i nanofili sono essenzialmente unidimensionali. "Sono materiali quasi unidimensionali, ", afferma Silvija Gradečak, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria del MIT:"Due delle loro dimensioni sono su scala nanometrica." Questa unidimensionalità conferisce proprietà elettriche e ottiche distintive.

Per una cosa, significa che gli elettroni e i fotoni all'interno di questi nanofili sperimentano "effetti di confinamento quantistico, " dice Gradečak. Eppure, a differenza di altri materiali che producono tali effetti quantistici, come punti quantici, la lunghezza dei nanofili consente loro di connettersi con altri dispositivi macroscopici e il mondo esterno.

La struttura di un nanofilo è così semplice che non c'è spazio per i difetti, e gli elettroni passano senza impedimenti, Gradečak spiega. Questo evita un grosso problema con i tipici semiconduttori cristallini, come quelli ricavati da un wafer di silicio:ci sono sempre difetti in quelle strutture, e quei difetti interferiscono con il passaggio degli elettroni.

Realizzato in una varietà di materiali, i nanofili possono essere "coltivati" su molti substrati diversi attraverso un processo di deposizione da vapore. Minuscole perline di oro fuso o altri metalli si depositano su una superficie; il materiale del nanofilo, al vapore, viene poi assorbito dall'oro fuso, alla fine cresce dal fondo di quel tallone come una colonna sottile del materiale. Selezionando la dimensione del tallone di metallo, è possibile controllare con precisione la dimensione del nanofilo risultante.

Inoltre, i materiali che normalmente non si mescolano facilmente possono essere coltivati ​​insieme in forma di nanofili. Per esempio, strati di silicio e germanio, due semiconduttori ampiamente utilizzati, "sono molto difficili da coltivare insieme in film sottili, " dice Gradečak. "Ma nei nanofili, possono essere coltivate senza problemi." Inoltre, l'attrezzatura necessaria per questo tipo di deposizione da vapore è ampiamente utilizzata nell'industria dei semiconduttori, e può essere facilmente adattato per la produzione di nanofili.

Mentre i diametri dei nanofili e dei nanotubi sono trascurabili, la loro lunghezza può estendersi per centinaia di micrometri, raggiungendo anche lunghezze visibili ad occhio nudo. Nessun altro materiale conosciuto può produrre rapporti lunghezza-diametro così estremi:milioni di volte più lunghi di quanto siano larghi.

A causa di ciò, i fili hanno un rapporto tra superficie e volume estremamente elevato. Questo li rende ottimi come rilevatori, perché tutta quella superficie può essere trattata per legarsi a specifiche molecole chimiche o biologiche. Il segnale elettrico generato da tale legame può quindi essere facilmente trasmesso lungo il filo.

Allo stesso modo, la forma dei nanofili può essere utilizzata per produrre laser a fascio stretto o diodi emettitori di luce (LED), dice Gradečak. Queste minuscole sorgenti luminose potrebbero un giorno trovare applicazioni all'interno di chip fotonici, per esempio:chip in cui le informazioni sono trasportate dalla luce, invece delle cariche elettriche che trasmettono le informazioni nell'elettronica di oggi.

Rispetto ai nanofili solidi, i nanotubi hanno una struttura più complessa:essenzialmente fogli di carbonio puro dello spessore di un atomo, con gli atomi disposti in uno schema che ricorda il filo di pollo. Si comportano in molti modi come materiali unidimensionali, ma in realtà sono tubi cavi, come un lungo, cannuccia nanometrica.

Le proprietà dei nanotubi di carbonio possono variare notevolmente a seconda di come vengono arrotolati, una proprietà chiamata chiralità. (È simile alla differenza tra la formazione di un tubo di carta arrotolando un foglio di carta longitudinalmente rispetto alla diagonale:i diversi allineamenti delle fibre nella carta producono una resistenza diversa nei tubi risultanti.) Nel caso dei nanotubi di carbonio, la chiralità può determinare se i tubi si comportano come metalli o come semiconduttori.

Ma a differenza del preciso controllo di produzione possibile con i nanofili, finora i metodi per produrre nanotubi producono un mix casuale di tipi, che devono essere ordinati per utilizzare un tipo particolare. Oltre ai nanotubi a parete singola, esistono anche in forme a doppia parete e multiparete.

Oltre alle loro utili proprietà elettroniche e ottiche, i nanotubi di carbonio sono eccezionalmente forti, e sono utilizzati come fibre di rinforzo in materiali compositi avanzati. "In qualsiasi applicazione in cui l'unidimensionalità è importante, sia i nanotubi di carbonio che i nanofili fornirebbero vantaggi, "dice Gradečak.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.