I nanotubi di carbonio si sono dimostrati promettenti in tutto, dalla microelettronica all’aviazione allo stoccaggio dell’energia. I ricercatori pensano che questo materiale potrebbe un giorno realizzare il sogno fantascientifico di creare un ascensore per lo spazio.
Allora perché non vengono utilizzati più spesso?
Il chimico dell'Università di Cincinnati Noe Alvarez ha affermato che un ostacolo è stata la frustrante incapacità di collegare i nanotubi di carbonio alle superfici metalliche in una connessione robusta per sensori, transistor e altri usi. Questi tubi cavi hanno un diametro di appena un miliardesimo di metro ma possono essere lunghi molti centimetri.
"Vogliamo che i nostri esperimenti siano riproducibili e coerenti, ma ciò non è facilmente possibile con i nanotubi perché non possiamo controllare quanto bene siano collegati alle superfici metalliche", ha affermato.
Ma lui e i suoi collaboratori hanno dimostrato un nuovo processo chimico che innesta nanotubi su superfici metalliche per creare un collegamento forte, coerente e conduttivo. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nanoscale Advances .
Nelle iterazioni precedenti, i nanotubi di carbonio venivano dispersi in una soluzione per creare ciò che Alvarez paragona agli "spaghetti bagnati" che si attaccano a una superficie metallica.
"Ma non esiste una connessione solida. Niente tiene realmente i nanotubi in superficie", ha detto.
Pertanto le misurazioni di proprietà come la conduttività elettrica erano imprecise e incoerenti.
Alvarez e i suoi partner di ricerca presso la Texas A&M University, guidati dal professore di ingegneria chimica Jorge Seminario, hanno dimostrato come legare chimicamente i nanotubi a rame, alluminio, oro e altre superfici metalliche.
Alvarez e i suoi collaboratori hanno ricevuto una sovvenzione di 720.000 dollari dalla National Science Foundation per elaborare la loro scoperta chimica nei prossimi tre anni.
"Perché non vediamo i nanotubi di carbonio in applicazioni commerciali diffuse anche se hanno così tanto potenziale? Abbiamo molto da capire", ha detto Chaminda Nawarathne, dottoranda dell'UC e autrice principale dello studio.
Alvarez e i suoi coautori hanno scoperto attraverso calcoli computazionali che gli atomi di carbonio nel collegamento organico si legano effettivamente a due atomi di rame, creando un legame particolarmente forte.
"Ciò spiega perché i nostri nanotubi, una volta collegati chimicamente, rimangono connessi", ha detto Alvarez.
I nanotubi di carbonio sono molecole notoriamente forti. La loro struttura molecolare crea un elegante reticolo esagonale. "I legami di carbonio sono i legami più forti. Sono legami covalenti. Ecco perché il diamante è il materiale più duro perché sono legami carbonio-carbonio", ha affermato Alvarez.
Mentre gli atomi di carbonio nei diamanti sono legami singoli, i nanotubi di carbonio hanno atomi con doppi legami coniugati, che li rendono ancora più forti dei diamanti.
Cavi realizzati con nanotubi di carbonio resistenti ma leggeri sono stati concepiti per creare "ascensori spaziali" che potrebbero trasportare apparecchiature in orbita, ha affermato Alvarez. Un ascensore spaziale è stato raffigurato nella scena iniziale del film di Brad Pitt "Ad Astra."
Ma la forza è solo una delle loro proprietà uniche.
I nanotubi di carbonio vengono utilizzati per creare il materiale sintetico più nero sulla Terra. Alvarez ha affermato che il loro forte legame con il metallo potrebbe portare a vernici e rivestimenti migliori.
"I nanotubi sono abbastanza inerti. Sono molto stabili. Puoi coniugarli senza rompere i loro legami. I nanotubi semiconduttori hanno anche proprietà di fluorescenza:possono generare luce", ha detto Alvarez. "Quindi l'elenco delle applicazioni potrebbe continuare all'infinito."
Nawarathne ha affermato che sta perseguendo potenziali applicazioni nello stoccaggio dell'energia.
"Ora che possiamo collegare i nanotubi di carbonio a un collettore di corrente o a una sonda metallica, possiamo realizzare elettrodi molto stabili per i supercondensatori", ha affermato Nawarathne.
Gli studenti di chimica della UC "coltivano" nanotubi su dischi di silicio utilizzando un processo chiamato deposizione catalitica di vapori chimici in apparecchiature che riscaldano i reagenti e un catalizzatore di ferro a 1.450 °F.
"È rovente", ha detto Alvarez, indicando un oggetto visibile attraverso una finestra di vetro nella macchina grande quanto un forno. "È come una teglia. Il catalizzatore va qui."
Dopo 45 minuti, sul silicio appare un sottile strato di nanotubi di carbonio. Da lì, i ricercatori sono stati in grado di elettrotrapiantare i nanotubi su una varietà di superfici metalliche. Inizialmente, hanno utilizzato fasci di nanotubi, ma grazie ai processi perfezionati appresi sono in grado di collegare nanotubi allineati verticalmente.
"È come cercare di ricollegare la lana a una pecora. Hai un filo che è stato tosato dalla pecora. Siamo in grado di ricollegare chimicamente le singole fibre alla pecora", ha affermato.
Ulteriori informazioni: Chaminda P. Nawarathne et al, Creazione di legami covalenti tra Cu e C all'interfaccia di nanotubi di carbonio/metallo a estremità aperta, Progressi su scala nanometrica (2023). DOI:10.1039/D3NA00500C
Fornito dall'Università di Cincinnati
