CNTs: nanotubi di carbonio e dove trovarli

Noti semplicemente come CNTs alla comunità scientifica, i nanotubi di carbonio sono stati definiti il materiale del XXI secolo. Ma è vero?

Con un mercato di 2.6 miliardi $ nel 2019, che si stima raggiungere i 5.8 miliardi $ nel 2027, i nanotubi di carbonio sono entrati nella nostra quotidianità e sono destinati a non uscirne più.

Grazie alle loro incredibili proprietà, questi nuovi gioielli tecnologici trovano impiego tra gli altri nell’automotive, nell’elettronica, nell’energetica e nella biomedica, rivelandosi ottimi sostituti per materiali e dispositivi tradizionali come filtri e transistor in silicio.

Anatomia di un nanotubo

I nanotubi di carbonio (spesso indicati con l’acronimo CNT, Carbon Nanotubes) sono molecole dalla forma cilindrica costituite da fogli di carbonio arrotolati su sé stessi. Tali fogli hanno la particolarità di essere monolayer, ovvero costituiti da uno singolo strato di atomi. Grazie a questa caratteristica del materiale di partenza, i nanotubi ottenuti da un solo foglio (SWCNT, Single-walled CNT) hanno diametri compresi tra i 0.8 e i 2 nanometri (ovvero un milionesimo di millimetro).

La dimensione del diametro è molto importante per le proprietà di questi materiali: esso permette infatti di avere un altissimo rapporto d’aspetto. Ciò significa che il rapporto tra la superficie e il volume occupato ha valori estremamente elevati (si parla di grandezze superiori a 1000). La diretta conseguenza è una resistenza allo sforzo meccanico 400 volte maggiore rispetto a quella dell’acciaio (nonostante la densità dei primi sia 1/6 rispetto a quella di quest’ultimo).

La direzione nella quale i CNTs vengono arrotolati ha un impatto notevole sulle caratteristiche del materiale. Mentre le proprietà elettriche sono eredità del carbonio, quelle termiche e meccaniche risultano nuove e inaspettate. I nanotubi presentano una conducibilità termica migliore del diamante, nonostante siano entrambi costituiti unicamente da atomi di carbonio.

I CNTs sono inoltre strutture estremamente stabili dal punto di vista chimico, dimostrandosi così notevolmente resistenti alle corrosioni.

Applicazioni

Se si volesse stilare la lista completa dei campi applicativi dei CNTs il risultato sarebbe una lista di svariate pagine ancora non sufficientemente esaustiva.

Ecco cinque inaspettati impieghi:

1. Transistor (CNTFETs) – i CNTs risultano estremamente vantaggiosi sostituti dei tradizionali transistor in silicio sulla scala delle dimensioni sub-nanometriche. Questo è dovuto una maggiore mobilità degli elettroni al loro interno, che porta a uno scambio di corrente più efficiente.
2. Acustica – Nel 2008 è stato dimostrato come fogli di nanotubi possono essere usati come amplificatori sotto l’applicazione di una corrente alternata. Nel 2013 un gruppo di ricercatori della Tsinghua University ha implementato il primo modello di auricolari. Gli esperti dicono che non passerà molto tempo prima che i nanotubi facciano la loro comparsa all’interno dei biglietti d’auguri musicati.
3. Filtri – grazie all’affinità dei CNTs con un’ampia rosa di contaminanti aromatici e alifatici dell’acqua sono stati proposti come possibili filtri. Se poi si sottopongono filtri simili a campi elettrostatici, vi è la possibilità di attivarli e disattivarli a piacimento. Oltre a filtrare l’acqua possono però fornire anche protezione da agenti biologici, come batteri e virus. Trovano così l’applicazione di ‘seconda pelle‘ in ambito militare.
4. Nano inchiostro – i CNTs possono costituire la base per la realizzazione di stampati elettronici quali elettrodi trasparenti, celle solari ed etichette RFID (impiegate negli antifurti dei prodotti commercializzati).
5. Protesi – Nel 2019 un gruppo di ricercatori del Texas Heart Institute ha sviluppato un metodo per riparare la conduttività elettrica dei tessuti cardiaci usando fibre di nanotubi. Inoltre, le stesse fibre possono essere impiegate per la realizzazione di muscoli sintetici in grado di sollevare 200 volte il peso sostenuto da muscoli naturali della stessa dimensione.

La nascita dei CNTs

Nonostante i CNTs siano noti come il materiale del XXI secolo, se si cerca la loro data di nascita precisa si arriva sorprendentemente alla preistoria.

Il professor Ponomarchuk e un gruppo di alunni ha segnalato la presenza di nanotubi in rocce risalenti a più di 250 milioni di anni fa. Tale evidenza trova ampio sostegno nella comunità scientifica, che concorda sulla presenza di nanotubi naturali già nella preistoria.

Tuttavia, il titolo di padre dei CNTs è attribuito al ricercatore giapponese Sumio Iijima. Nel 1991, presso la NEC’s Fundamental Research Lab, Iijima osservò per la prima volta al microscopio la presenza di peculiari strutture cilindriche all’interno di un campione di fuliggine di carbone.

Oggi, lo studio con il quale presenta l’esistenza di questa innovativa tecnologia, è stato citato più di 27 105 volte, a riprova dell’interessa che ha destato questa scoperta. Dopo vent’anni, le ricerche non sono ancora che all’inizio.

Si è recentemente presentata la sconvolgente possibilità di realizzare con CNTs delle reti neurali artificiali che emulano l’adattabilità del sistema nervoso degli esseri viventi. L’elemento che finora ha contraddistinto un cervello reale da uno artificiale è stata l’adattabilità agli stimoli esterni, ben descritta dal concetto di neuroplasticità. Un sistema nervoso biologico è in grado di modificare la sua struttura a seconda degli stimoli esterni, capacità che molti credono essere responsabile della coscienza umana.

Chissà se questo non è il primo passo verso un’intelligenza artificiale in grado di acquisire coscienza di sé, come già aveva profetizzato Spike Jonze nel 2013 con il suo Her.

In copertina: Mstroeck su Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0