I nanotubi di carbonio, molecole cilindriche costituite da atomi di carbonio, sono tra i materiali più resistenti e rigidi conosciuti. Eppure, nuovi filmati del laboratorio di A. John Hart, Morris Eminent Professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria presso l’Università del Delaware, mostrano che i nanotubi possono piegarsi come corde di chitarra lente.

I filmati sono la creazione dello studente laureato Joseph Romano da immagini video ad alta velocità scattate all'interno del microscopio elettronico di Hart. Documentano per la prima volta come cambia la forma di un nanotubo di carbonio quando viene piegato, fornendo nuove preziose informazioni agli scienziati che cercano di comprendere il comportamento dei nanotubi e di progettare nuovi materiali basati su di essi.

"Queste sono le prime osservazioni in tempo reale della flessione dei singoli nanotubi di carbonio", ha affermato Romano, che ha presentato la ricerca recentemente alla riunione autunnale della Materials Research Society a Boston. “Stanno aprendo una nuova strada per esplorare le proprietà di questi straordinari materiali”.

I nanotubi di carbonio hanno in genere un diametro di pochi nanometri e possono essere lunghi diversi micrometri. Per fare un confronto, la larghezza di un capello umano è di circa 50.000 nanometri. A causa delle loro piccole dimensioni, i nanotubi di carbonio sono stati studiati principalmente con la microscopia a forza atomica e la microscopia elettronica a trasmissione, che forniscono entrambe immagini statiche piuttosto che video in tempo reale.

Hart e Romano hanno sviluppato un nuovo metodo per catturare immagini video di singoli nanotubi di carbonio utilizzando un microscopio elettronico a scansione ambientale (ESEM). L'ESEM differisce da un tradizionale microscopio elettronico a scansione in quanto contiene una minuscola camera riempita con un gas a bassa pressione, in questo caso vapore acqueo. Il gas fornisce una resistenza sufficiente al fascio di elettroni per impedirgli di vaporizzare i nanotubi di carbonio, consentendone l’imaging in tempo reale.

Per realizzare un filmato sulla flessione di un nanotubo di carbonio, Romano ha sospeso un nanotubo attraverso una piccola trincea su un chip di silicio e poi ha utilizzato un manipolatore di precisione per spingere il nanotubo. Mentre il nanotubo si piegava, Romano ha registrato immagini video del processo.

I filmati rivelano che i nanotubi di carbonio si piegano in un modo unico. Quando una corda di chitarra viene pizzicata, vibra ad una frequenza specifica, producendo una nota. Allo stesso modo, quando un nanotubo di carbonio viene piegato, vibra a una frequenza specifica. La frequenza dipende dalla lunghezza e dallo spessore del nanotubo nonché dalla forza applicata su di esso.

Analizzando i filmati, Romano è stato in grado di determinare il modulo di Young dei nanotubi di carbonio, una misura della loro rigidità. Si è scoperto che il modulo di Young dei nanotubi di carbonio studiati da Romano era di circa 1 teraPascal (TPa), che è paragonabile al modulo di Young del diamante, il materiale più duro conosciuto.

I filmati forniscono anche nuove informazioni sulle proprietà meccaniche dei nanotubi di carbonio. Ad esempio, mostrano che i nanotubi di carbonio possono resistere a grandi quantità di flessione senza rompersi, indicando che sono estremamente resistenti.

Si prevede che i nuovi risultati della ricerca avranno implicazioni per la progettazione e l'applicazione di materiali basati su nanotubi di carbonio. Ad esempio, i nanotubi di carbonio potrebbero essere utilizzati per realizzare fibre ultra resistenti da utilizzare in materiali leggeri o come sensori che rilevano la presenza di sostanze chimiche specifiche.

"Le potenziali applicazioni dei nanotubi di carbonio sono enormi", ha affermato Romano. “Comprendendo le proprietà meccaniche di questi materiali, possiamo aprire la porta ad applicazioni nuove e innovative”.