La simulazione teorica di un team di ricerca internazionale della sintesi di nanotubi di carbonio a parete singola ha rivelato importanti dettagli dei meccanismi in gioco. Ciò potrebbe portare a modi migliori per controllare la produzione di nanotubi di carbonio.

La sintesi dei nanotubi di carbonio (CNT), in vista della loro produzione su scala industriale, sta suscitando un forte interesse scientifico. Le loro proprietà chimiche uniche promettono un'ampia varietà di usi innovativi in ​​acustica, biomedico, elettronico, ambientale, tecnologie ottiche e strutturali.

Guidato dal professor Stephan Irle dell'Istituto di biomolecole trasformative dell'Università di Nagoya, un team di ricercatori in Giappone, gli Stati Uniti e la Cina hanno condotto simulazioni al computer che mostrano meccanismi molecolari simili all'opera nella crescita dei nanotubi di carbonio e nella combustione di idrocarburi per formare fuliggine. Questa scoperta sfida una visione precedentemente accettata secondo cui i carburi metallici sono necessari per creare nanotubi, attraverso un processo chiamato deposizione chimica da vapore.

I modelli del team suggeriscono che processi chimici alternativi come l'estrazione dell'idrogeno/l'aggiunta di acetilene, un meccanismo spesso osservato nei processi di combustione, potrebbero essere utilizzati anche per coltivare nanotubi di carbonio. "Questa scoperta è molto intrigante, nel senso che a lungo si è ritenuto che questi processi procedessero con meccanismi completamente diversi, "dice la professoressa Irle.

Nel 2014, il team ha riportato le prime simulazioni di crescita della sintesi di nanotubi di carbonio a parete singola, utilizzando acetilene come materia prima. Il loro modello di simulazione utilizzava l'acetilene a causa delle temperature relativamente basse necessarie per catalizzare la deposizione chimica da vapore, e perché anche piccole quantità accelerano notevolmente le reazioni. Secondo i ricercatori, la loro modellizzazione suggerisce che il ruolo potenziale dell'acetilene necessita di ulteriori studi, così come il modello attualmente accettato per la produzione di nanotubi di carbonio.

Da quando hanno pubblicato i loro risultati, i ricercatori hanno iniziato a modellare la sintesi del grafene, uno strato di carbonio puro dello spessore di un atomo, utilizzando nichel e rame con un catalizzatore di metano. Sperano di rilasciare pubblicamente il nuovo modello di simulazione, basato su una versione diretta di una simulazione cinetica Monte Carlo in cui i canali di reazione sono previsti automaticamente al volo man mano che il processo di crescita procede, nel 2015.

I nanotubi di carbonio sono nanocilindri costituiti da fogli di carbonio (o grafene) dello spessore di un atomo. Sono attualmente utilizzati come additivi per rafforzare vari materiali strutturali, e può essere utilizzato anche per lo stoccaggio di energia, nonché nella prossima generazione di nanoelettronica e dispositivi biomedici. I CNT sono spesso sintetizzati tramite deposizione chimica da vapore, in cui il vapore di idrocarburo si deposita su catalizzatori metallici sotto un flusso di gas non reattivo ad alta temperatura. Però, il controllo della qualità è una sfida poiché questo metodo di solito porta alla produzione di CNT con diametri variabili e diverse strutture delle pareti laterali.