La capacità di controllare con precisione la struttura dei CNT è fondamentale per sbloccare il loro pieno potenziale e adattarli ad applicazioni specifiche. Uno degli aspetti chiave del controllo della struttura nei CNT è la direzione di laminazione, che determina l'orientamento del reticolo esagonale e la risultante chiralità del nanotubo.
Per capire come arrotolare un nanotubo, visualizziamo un foglio di grafene, che è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. Arrotolando questo foglio di grafene lungo una certa direzione si ottiene la formazione di un CNT. La direzione di rotolamento è tipicamente definita da un vettore chiamato “vettore chirale”, che collega due punti reticolari equivalenti sul foglio di grafene.
La chiralità di un CNT è determinata dall'angolo tra il vettore chirale e la direzione a zigzag del foglio di grafene. A seconda della direzione di laminazione, i CNT possono essere classificati in tre tipologie principali:
1. Poltrona Nanotubi: Nei nanotubi poltrona, il vettore chirale è perfettamente allineato con la direzione a zigzag, risultando in un CNT con una disposizione regolare di esagoni.
2. Nanotubi a zigzag: Nei nanotubi a zigzag, il vettore chirale è perfettamente allineato con la direzione della poltrona, risultando in un CNT con uno schema a zigzag di esagoni.
3. Nanotubi chirali: Nei nanotubi chirali, il vettore chirale forma un angolo tra le direzioni zigzag e poltrona, risultando in un CNT con una disposizione contorta di esagoni.
La chiralità di un CNT ha un profondo impatto sulle sue proprietà elettroniche. I nanotubi della poltrona sono tipicamente metallici, mentre i nanotubi a zigzag e chirali possono essere metallici o semiconduttori. Questa differenza nelle proprietà elettroniche deriva dagli effetti quantomeccanici del confinamento degli elettroni all'interno della struttura dei nanotubi.
Il controllo preciso sulla direzione di laminazione e sulla chiralità dei CNT si ottiene attraverso varie tecniche di sintesi, tra cui la deposizione chimica in fase vapore (CVD), la scarica ad arco e l'ablazione laser. Queste tecniche implicano il controllo delle condizioni di crescita, come temperatura, pressione e composizione del catalizzatore, per favorire la formazione di tipi specifici di CNT.
Nella CVD, ad esempio, la direzione di laminazione dei CNT può essere influenzata dall'orientamento della superficie del substrato o dall'utilizzo di catalizzatori modellati. Controllando i parametri di crescita, è possibile sintetizzare selettivamente chiralità specifiche dei CNT.
In sintesi, arrotolare un nanotubo implica visualizzare un foglio di grafene e arrotolarlo lungo una direzione specifica, definita dal vettore chirale. La direzione di rotolamento determina la chiralità del CNT e le sue proprietà elettroniche. Il controllo preciso sulla direzione di laminazione si ottiene attraverso varie tecniche di sintesi, consentendo la crescita su misura di CNT con le caratteristiche strutturali ed elettriche desiderate.
