Nanostrutture e materiali nanostrutturati: come e perchè
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Nanostrutture e materiali nanostrutturati: come e perchè
Nanostrutture e materiali nanostrutturati: come e perchè In maniera piuttosto provocatoria si potrebbe iniziare questo studio sottolineando che oggi viviamo in una specie di “nano mania”. In effetti, qualunque cosa sia per qualche ragione descrivibile nella classe “nano” oggi suscita un enorme interesse, questo (sempre provocatoriamente) anche in molti casi che si rivelano poi delle vere e proprie bufale! Tuttavia, siccome la nano-mania in cui viviamo è piuttosto diversa dalla mania di collezionare Didles, ed anzi è dovuta all‟enorme impatto che le nanotecnologie hanno ed avranno nella nostra vita quotidiana, appare opportuno dedicare alcune lezioni agli aspetti teorici e pratici più importanti e connessi con il “nano-mondo”. Vale la pena di citare che già nel 1961 Feynman aveva enunciato il suo famoso detto “ther’s plenty of room at the bottom”, il che in qualche modo lascia capire le potenzialità di questa scienza. Inoltre osserviamo che le nanotecnologie devono, per forza di cose, includere non solo le tecniche necessarie a realizzare le nanostrutture o a nanostrutturare i materiali, ma anche tutti quei metodi di indagine che ne consentono la caratterizzazione. Quest‟ultima può essere condotta con metodi classici che evidenzieranno il comportamento macroscopico d‟insieme, ma, ovviamente, è di grande interesse lo studio del comportamento della singola nanostruttura; ciò può essere ottenuto solo sviluppando tecniche di indagini adeguate. Infatti negli ultimi 15 anni sono state sviluppate enormemente diverse tecniche di indagini, tutte più o meno legate o basate su tecniche di microscopia a sonda, che consentono di studiare singole nanoparticelle o al più piccoli gruppi di particelle nanometriche. In altre parole insieme alle nanotecnologie esistono le nanospettroscopie, la nanofotonica la nanoelettronica e così via. Per prima cosa è necessario dare una definizione di “nano”. In questo senso possiamo cominciare col dare una definizione di nano-fotonica. In questo caso l‟interazione fra luce e materia avviene su dimensioni molto più piccole della lunghezza d „onda della luce, quindi effetti di confinamento quantistico per la luce si mettono in evidenza già con strutture di qualche centinaio di nanometri. Nel caso di un elettrone (la cui lunghezza d‟onda equivalente è decisamente più piccola di quella dei fotoni ottici, la dimensione della struttura necessaria a produrre un evidente effetto di confinamento diviene dell‟ordine di qualche nanometro. Con questa premessa possiamo concludere che una nanostruttura è una struttura la cui dimensione è certamente minore di 100 nm mentre un materiale nanostrutturato contiene sottostrutture con questa dimensionalità. Opportunità di impiego???? Chimici ed Ingegneri chimici: Nuovi metodi di sintesi e di processing di nanomateriali. Nuovi tipi di nanostrutture molecolari ed assembly supramolecolari. Nanostrutture “Self Assembled” periodiche o aperiodiche (effetti cooperativi). Chimica delle superfici. ***** C’è molto lavoro anche è per gli altri!!! Fisici: Elettrodinamica quantistica applicata allo studio di nanocavità Quantum information processing. Processi ottici non lineari Controllo delle interazioni elettroni fotoni e fononi fra Etc. Biologi e medici: Ingegneri dei materiali Manipolazione genetica Nanolitografia Materiali fotonici “bio-ispirati” Cristalli fotonici Nuove nanosonde per diagnostica Quantum dot e quantum wire lasers Nanoproiettili intelligenti veicolazione di farmaci. Etc. per la Materiali quanto confinati Un esempio molto semplice ma estremamente istruttivo di nanostruttura è costituito dall‟elettrone chiuso nella scatola. Com‟è noto, questa struttura produce molti effetti ottici che possono trovare diverse applicazioni tecnologiche. Una situazione come quella dell‟elettrone nella scatola si può ottenere in diverse maniere, ad esempio si pensi ad una molecola organica in cui gli elettroni p sono delocalizzati; una molecola così strutturata, rappresenta da sola un sistema in cui gli elettroni sono confinati. Altri esempi piuttosto semplici sono le eterostrutture, in cui si produce artificialmente un confinamento elettronico alternando materiali con gap diverso. Se questa struttura è planare si ottiene una buca quantica (quantum well), se con una adeguata tecnologia, si produce una struttura che produce un confinamento bidimensionale, si parla di fili quantici (quantum wire), se, infine, si produce un confinamento tridimensionale (come nel caso dell‟elettrone nella scatola), allora si parla di punti quantici (quantum dots). Esistono altre strutture che per le loro caratteristiche sono anche piuttosto affascinanti, ad esempio ripiegando un quantum wire si può realizzare un anello quantico, oppure è possibile realizzare una super struttura ordinata di buche quantiche (multiple quantum wells) o di punti quantici (super reticolo). Densità degli stati tridimensionale Un po’ di teoria Cominciamo a descrivere la funzione densità degli stati tridimensionale N(e) come si studia nel caso di un semiconduttore classico. In questo caso N(e)de rappresenta il numero di stati disponibili nell‟intervallo di energia compreso fra e ed e+de. Consideriamo una regione cubica del cristallo di lato L, ed imponiamo La condizione al contorno che la funzione d‟onda elettronica sia nulla sulle superfici del cubo cioè quando x,u,z prendono i valori 0 ed L. Con queste premesse, una funzione d‟onda adeguata a descrivere il problema assume la forma: k r Uk r sin k x x sin k y y sin k z z Usando le condizioni al contorno si ottiene: k x L 2pn1 k y L 2pn2 (n1,n2,n3 sono interi) k z L 2pn3 Quanto sopra implica che ogni valore di k con coordinate kx,ky,kz, occupa nello spazio k un volume pari a (2p/L)3, cioè la densità di punti permessi nello spazio k è V/(2p)3 Il volume dello spazio k individuato dai vettori k e k+dk è una calotta sferica e vale 4pk2dk, quindi il numero totale di stati contenuto nella calotta sferica è: dN 4pVk 2 dk 2p 3 Ovvero, considerando lo spin: dN 8pVk 2 dk 2p 3 Considerando un solido cristallino ed un elettrone in banda di conduzione,è possibile individuare un legame fra k ed e: * 2 m 2k 2 2 e e e c e ec k * 2 me 2 2me* de Differenziando quest‟ultima si trova : 2kdk 2 2me* e e c 2me* de 2 2 8pVk 2 dk 8pV dN 3 Quindi, sostituendo si ottiene: 2p 2p 3 2m * e e 12 2 me* N e de M c 2 2 p 3 2 e e c de 2 e c 2 Se la lunghezza d‟onda di de Broglie associata all‟elettrone nel solido (200/400 A) è molto più piccola delle dimensioni del solido, la densità degli stati è proprio quella ora calcolata e quindi essa è proporzionale al quadrato dell‟energia. Che succede se la dimensione del solido diventa comparabile con la lunghezza d’onda di de Broglie?? Gli effetti quantistici dovuti al confinamento divengono importanti e modificano in maniera anche molto pesante le proprietà elettroniche del materiale. Un esempio tipico in cui si realizza questa condizione è la buca quantica realizzata usando uno strato sottile di un semiconduttore inserito fra due strati semi infiniti di un altro semiconduttore con gap più piccolo del primo. (quantum well) Ricordando il caso della particella in una scatola è facile intuire che, nella direzione z in cui avviene il confinamento quantistico, sono permesse solo le energie che soddisfano alla relazione: 2 2 2 p l el 2me* L2z l=1,2,3,…. Misurando l‟energia dalla banda di conduzione ed avendo indicato con Lz lo spessore del pozzo. Val la pena di sottolineare che analogo comportamento ha una lacuna in banda di valenza. Nella direzione parallela all‟interfaccia fra i materiali, cioè lungo il piano xy gli elettroni si comportano come se si trovassero in un semiconduttore classico. In altri termini l‟energia che compete alla particella diviene: 2 e e l * k x2 k y2 2 me Calcolo della densità degli stati di una quantum well. Il calcolo della densità degli stati procede in modo analogo a quanto fatto nel caso del cristallo bulk, salvo che stavolta si deve determinare il numero di modi compreso fra k e k+dk tenendo kz=2p/Lz costante. Quanto sopra implica che nel piano kx-ky il numero di modi può essere trattato come una variabile continua. Come nel caso precedente la densità di punti permessa nello spazio k è LxLyLz/(2p)3. Il volume dello spazio k compreso fra k e k+dk in questo caso è: 2p 2pk|| dk|| Lz Avendo indicato con k|| il vettor d„onda nel piano kx-ky Ricordiamo inoltre che : 2p k k Lz 2 2 || 2 kdk k|| dk|| Lx Ly Lz 2p Considerando lo spin, il numero totale di stati fra k e k+dk è: dN 2 2pkdk 3 Lz 2p p 1 Cioè semplificando: dN Lx L y Lz 2 kdk p Lz 2me* e e l Dalla relazione di dispersione in questo caso si ricava : k l=1,2,3…. 2 Quindi, per i valori di e > el, la densità degli stati in un intervallo di energia de diviene: 2 me* N e de 2 de p Lz Quindi ognuna delle bande bidimensionali produce una densità degli stati indipendente da e, cioè si ottiene nella direzione z un andamento a gradini. Quando si riesce a produrre un effetto di confinamento in due direzioni, si parla di fili quantici o quantum wires. In questo caso valgono tutti i ragionamenti già visti, ma stavolta : 2p 2 2 k kx L y 2 2p L z 2 Nanotubi di carbonio I nanotubi in carbonio sono un esempio recente di nanotecnologia. Si realizzano assemblando atomi di carbonio in forma di piccoli, o meglio microscopici, cilindri. Il diametro va dagli 0,4 agli 1,8 nanometri e possono arrivare a diversi microns di lunghezza, a seconda dei processi di costruzione. Possono trasportare una densità di corrente mille volte superiore a quella dei circuiti in rame, e sono circa 10 volte meno soggetti alla dissipazione termica. In effetti il carbonio recentemente è stato uno dei primi attori di molte ricerche che si rivolgono alle nanotecnologie. Negli anni 80 furono osservate le prime molecole di fullerene (C60, …), all‟inizio anni 90 il fullerene venne sintetizzato in laboratorio con un buon grado di efficienza e riproducibilità. (Nobel 96). Alla fine degli anni 90 si sono visti i primi esempi di produzione di nanotubi di carbonio con forti motivazioni tecnologiche. Attualmente i nanotubi di carbonio vengono utilizzati in diverse applicazioni commerciali, ad esempio vengono utilizzati per produrre polimeri conduttori, materiali compositi, fibre, display etc. Quanto sopra implica il loro utilizzo nel campo dell‟automotive, nel settore delle telecomunicazioni, dell‟industria aerospaziale, nel settore della medicina e perfino nella realizzazione di materiali per lo sport. Un‟applicazione di grande interesse oggi riguarda l‟industria elettronica che ha trovato nei nanotubi di carbonio una possibile ancora di salvataggio per la legge di Moore. Struttura e proprietà dei nanotubi di carbonio Un nanotubo di carbonio può essere pensato come un fullerene cilindrico, osservando la figura sotto riportata sarà facile comprendere il meccanismo con cui si forma un nanotubo. Evidentemente sono possibili due strutture che si ottengono arrotolando il grafene su un asse con un angolo chirale di 0 e di 30 gradi. Usualmente le strutture che si ottengono sono aperte all‟estremità (veri e propri tubi), questo perché la particella che produce la catalisi solitamente è proprio in cima ad una delle estremità. E‟ possibile ottenere nanotubi con estremità chiusa, ciò richiede l‟inclusione di un anello a 5 elementi e due a 6 elementi nella struttura . Il foglio di grafene “arrotolato” può essere descritto da un vettore chirale C che connette due siti cristallograficamente equivalenti ed è espresso dalla somma di due vettori uniari a1 ed a2 in modo che C=na1+ma2. I valori d n ed m determinano il diametro D e l‟angolo chirale del tubo. Cella unitaria descritta da: – Vettore chirale Ch = na1 + ma2 (n, m) n,m Z – Vettore di traslazione T = t1a1 + t2a2 t1, t2 Z a1 3 12 D p d n 2 m 2 nm cc n m arctan g 1 2 3 n m T Ch a2 Zigzag (n, 0) tube Ch // a1 (or a2) a1 Armchair (n, n) tube a2 Chiral (n, m) tube Proprietà geometriche CNT completamente determinate da vettore chirale e di traslazione (cioè da numeri (n, m)) Diametro NT: dNT (m2 +n2 +nm) Le proprietà elettriche e spettroscopiche osservate nei nanotubi di carbonio dipendono da n ed m ovvero dal diametro e dall‟angolo chirale del nanotubo. La forma regolare (e quindi le proprietà) del nanotubo dipende molto dalla purezza della struttura. In altri termini, come l‟introduzione di impurezze nell‟anello può produrre la chiusura del tubo così può dar luogo a “tubi deformi”. Ad esempio se si introduce un anello con 7 atomi si ottiene, almeno teoricamente, una struttura divergente, anche se strutture di questo tipo non sono ancora state osservate sperimentalmente. Una ulteriore differenziazione puo‟ esser fatta fra i nanotubi a singola parete (SWCNT) e quelli a parete multipla (MWCNT). Per quanto la classificazione possa apparire triviale, la possibilità di distinguere e differenziare le due tipologie di nanotubi è piuttosto importante perché le caratteristiche fisiche sono piuttosto diverse. Un SWCNT ha dimensioni che possono andare da 0, 4 a 5 nm mentre un MWCNT tipicamente ha diametri da 1,5 a 100nm ed oltre. I MWCNT non sono stati particolarmente studiati perché molto più complessi: ogni “foglio” che compone un MWCNT può avere diametro e chiralità diversi e quindi proprietà diverse, e per di più interagisce con il foglio che lo copre o quello da esso coperto. La possibilità di ottenere l‟una o l‟altra specie dipende in massima parte dal processo di fabbricazione. La Fabbricazione dei NT CNT richiedono processo di fabbricazione “violento” (alte T, P, quantità di materiale) Metodi di deposizione più comuni: • Laser Ablation --> SWCNT con diametro controllato • Scarica ad arco (come fullereni) --> grandi quantità, scarso controllo • PE-CVD da CxHx --> grande efficienza soprattutto per MWCNT • • Up to 900°C heated stage C2H2/NH3 up to 200sccm See Puretzky, Geohegan,… Appl. Phys. A 70 153 (2000) Generalmente la produzione di MWCNT è più semplice che non la produzione del SWCNT. Nel caso di SWCNT di solito si utilizza un catalizzatore e questo conduce alla formazione di nanotubi aperti all‟estremità. I processi di catalisi che i possono usare sono molti e molto vari. Se si disperdono nanoparticelle di ferro su una superficie e poi si espone quest‟ultima ad una sorgente di carbone a 900 gradi in atmosfera riducente, i nanotubi crescono dalla superficie con una piccola particella metallica in cima. Questa particella può esser poi rimossa con un bagno in HCl per ottenere un nanotubo aperto. In letteratura, si trovano moltissimi esempi e metodi di crescita che conducono a prodotti più o meno puri. è molto interessante trovare metodi di crescita che producono array ordinati di nanotubi. Ad esempio è possibile ottenere un tappeto ordinato di nanotubi con densità dell‟ordine di 1010 /cm2 usando una maschera di alluminio anodizzato. Tutti i metodi producono nanotubi con caratteristiche peculiari e in molti casi sono ormai adottati dalle catene di produzione di diverse compagnie che producono e vendono materiali Catalisi e fabbricazione di nanoparticles Processo di crescita catalitico (Ni or Co nanoparticles) è necessario produrre nanoparticelle di catalizzatore Durante il rpocesso di annealing/etching il film metallico forma nano-gocce Il carbone si dissolve nel catalizzatore a forma una soluzione solida Dopo la saturazione della soluzione il carbone precipitata e comincia la crescita del nanotubo • • Step 1: At 700°C (growth temp), Ni film sinters into catalyst nanoparticles. Step 2: PECVD - C2H2 is the growth gas for CNTs, NH3 is the etching gas for unwanted a-C. Effetti del catalizzatore Uno dei problemi più seri che affliggono la produzione dei nanotubi di carbonio consiste nella loro purificazione. Buona parte dei processi di produzione sono di origine chimica e quindi implicitamente producono una grossa quantità di difetti strutturali. Il problema della purezza dei nanotubi assume una importanza rilevante soprattutto nel caso in cui si voglia realizzare un dispositivo, invece è meno rilevante se il materiale viene utilizzato, ad esempio, per la realizzazione di un composito. Uno dei metodi più semplici per la purificazione consiste nel portare ad alta temperatura i nanotubi. Ad esempio, scaldando il materiale a qualche centinaio di gradi, viene facilmente rimosso il carbonio in forma amorfa mentre i nanotubi sono stabili e quindi se ne ottiene la purificazione. La pulizia spesso viene eseguita anche per via chimica con l‟uso di solventi o acidi che rimuovono materiali organici o inorganici. Nel caso di nanotubi ottenuti attraverso un processo di catalisi può essere molto utile la loro purificazione dal metallo che dà luogo a tubi aperti. In tal caso si procede prima con un bagno in HCl e poi con un annealing a temperatura moderata. è ovvio che il lavaggio può produrre effetti deleteri sulla disponibilità superficiale del materiale. Infatti una delle caratteristiche principali dei nanotubi di carbonio consiste proprio nell‟enorme superficie per grammo (circa 3000 m2/g). Si deve osservare però che una superficie così grande non è mai stata trovata in alcun campione di nanotubi, ciò farebbe pensare che per una qualche ragione (che potrebbe esser legata alla purificazione e/o al processo di produzione ) una parte degli atomi superficiali non è disponibile. Nei casi migliori si sono determinate superfici/grammo dell‟ordine di 1500m2/g. Emissione di campo (Field Emission) L‟emissione di elettroni dovuta alla presenza di alti campi elettrostatici è un fenomeno noto sin dagli ultimi anni del XIX secolo. La sua corretta interpretazione, però, fu possibile solo dopo lo sviluppo della teoria dei quanti e si deve ai fisici Fowler e Nordheim, che elaborarono la teoria dell‟emissione di campo nel 1928. La teoria interpreta l‟emissione come un caso particolare di effetto tunnel. Il parametro più importante per caratterizzare tale emissione è senza dubbio il cosiddetto campo di soglia che rappresenta il minimo campo elettrico necessario per attivare l‟emissione. Un materiale efficiente avrà un campo di soglia più basso, volendo realizzare un dispositivo, ovviamente un campo di soglia più basso significa minore energia dissipata . Per questi studi, oltre alla precisione nella misura delle correnti emesse, che usualmente sono molto deboli (meno di un miliardesimo di Ampere), è di grande importanza anche valutare con precisione la distanza tra il catodo emettitore e l‟anodo raccoglitore. Grazie alla tecnologia sviluppata per i microscopi ad effetto tunnel, sono stati realizzati sistemi di caratterizzazione ad effetto di campo che consentono di misurare con la precisione di alcune decine di nanometri la distanza anodo-catodo, realizzando una migliore qualità nella caratterizzazione di oggetti piccoli come i nanotubi. L‟intensità della corrente emessa nel fenomeno della emissione di campo dipende ovviamente secondo il modello di Fowler-Nordheim dal gradiente di campo applicato. Attualmente il fenomeno dell‟emissione di campo è molto studiato dai gruppi di ricerca legati alle industrie, e già sono stati prodotti dispositivi a nanotubi in condizioni di field emission, quali schermi televisivi, lampade e sorgenti a raggi X . Spettroscopia Raman La spettroscopia Raman è un processo di interazione radiazione-materia che dà informazioni sulle proprietà vibrazionali, e quindi chimico-fisico-strutturali, del campione investigato. L‟ emissione Stokes consiste nell‟assorbimento di un fotone ad una determinata energia, seguito dall‟emissione di un fotone ad energia minore e di un fonone (o quanto vibrazionale). Alternativamente (emissione anti-Stokes) il fotone di eccitazione può accoppiarsi con un fonone dando luogo all‟emissione di un fotone ad energia maggiore. In entrambi i casi la misura dello shift in energia tra il fotone di eccitazione e quello emesso fornisce una misura dei livelli vibrazionali e quindi delle proprietà del reticolo cristallino. La spettroscopia Raman è stata largamente impiegata per la caratterizzazione non invasiva ed il monitoraggio dei processi di sintesi e di purificazione dei nanotubi di carbonio (CNT), sin dalla loro prima osservazione, nel 1991, sotto forma di multi walled (MW), e nel 1993 come single walled (SW). I nanotubi di carbonio sono infatti caratterizzati da un‟elevatissima sezione d‟urto Raman. Gli spettri Raman dei nanotubi di carbonio sono sensibili al diametro del nanotubo (radial breathing mode), alle proprietà elettroniche e di simmetria (banda G), ed alla presenza di difetti (bande D e G‟). In particolare, la posizione nello spettro Raman del radial breathing mode risulta univocamente legata al diametro del nanotubo dalla relazione: fs = A+ B / dNT dove fs (frequency shift) rappresenta lo shift Raman, A e B sono costanti note e dNT è il diametro del nanotubo. La figura 7 mostra lo spettro Raman di un campione di nanotubi ottenuto utilizzando 2 diverse lunghezze d‟onda del laser ad argon (blu: 4880 A, verde: 5145 A). La presenza di almeno tre picchi (spettro blu) denuncia la presenza di altrettanti diametri dei nanotubi presenti nel campione. Le differenze osservate variando la lunghezza d‟onda di eccitazione sono riconducibili ad effetti di risonanza con i livelli elettronici dei nanotubi e mostrano chiaramente il vantaggio di poter utilizzare diverse radiazioni eccitatrici. Per questa loro particolarità, il diametro dei nanotubi si può misurare dallo spettro Raman. Livelli energetici Vari esperimenti hanno mostrato come i nanotubi semiconduttori mostrino interessantissime proprietà di fluorescenza [Bibliografia] nella regione del vicino infrarosso (da ~ 1 a ~ 1.5 mm) legate alle loro proprietà elettroniche, un fatto che potrebbe rivelarsi molto utile nelle applicazioni biomediche e fisiche. I nanotubi del tipo n-m=3p con p intero positivo o nullo sono conduttori metallici, quindi con gap fondamentale 0.0 eV. Tutti gli altri sono semiconduttori la cui gap è funzione del diametro, ed è approssimata dalla funzione: Egap=2y0acc/d, dove y0=0.1 eV, acc=0.142 nm e d è il diametro. Questo implica che il gap fondamentale varia da 0.4 a 0.7 eV. Property Attributes Potential Applications Polymer/SWNT Composites Strength (37 GPa) Structural Composites Bi-Component Fibers Stiffness (640 GPa) Functional Textiles Hollow Fibers Light Weight (density 1.30 g/cm^3) Energy-storage Capacitors Bulk Composites Electrical Conductivity (10^6 S/m) Fuel Cell Electrodes SWNT Films and Fibers Thermal Conductivity (2000 W/m/K) Electrically Conducting Coatings SWNT Coatings Specific Surfaced Area (1350 m^2/g) Actuators, Artificial Tissue Carbon/SWNT Composites Anisotropic Optical Properties Heat Dissipation/Thermal Management Materials Bio-compatibility Proprietà elettroniche I nanotubi possono essere visti come delle giganti molecole coniugate filiformi con una lunghezza di coniugazione uguale alla lunghezza del tubo. Per comprenderne la struttura elettronica è bene cominciare con lo studio del grafene, cioè del singolo foglio di grafite. Il carbonio ha 4 elettroni di valenza di cui tre sono fortemente legati con gli atomi vicini e danno luogo ad una struttura planare la cui rigidità sul piano è veramente notevole. I quattro elettroni sono ovviamente delocalizzati e danno luogo ad una conducibilità elettronica, tuttavia a causa della sua particolare struttura, da un punto di vista elettronico, il grafene può essere considerato a metà strada fra un metallo ed un semiconduttore, e per questo viene classificato come un semimetallo o un semiconduttore a “zero-gap”. Questa peculiarità rende gli stati elettronici estremamente sensibili alle condizioni al contorno, come ad esempio quelle che si ottengono in un SWCNT. In questo sistema si possono sostenere solo onde elettroniche stazionarie la cui lunghezza d‟onda sia un sottomultiplo della circonferenza del tubo. In tal modo vengono rimosse le caratteristiche di trasporto del grafene che, quando viene ripiegato a formare il nanotubo si comporta da semiconduttore o da conduttore a seconda di come viene arrotolato il foglietto, le proprietà elettroniche, in altre parole, dipenderanno dall’elicità del tubo. In un MWCNT la situazione è ovviamente molto più complessa perché divengono importanti le interazioni fra foglietti adiacenti, in ogni caso è chiaro che l‟elicità della struttura è una caratteristica molto importante che può essere ingegnerizzata, cosa che rende l‟argomento “nanotubi” estremamente affascinante. In questo momento, tuttavia, il controllo sull‟elicità dei nanotubi non è possibile, quindi ogni nanotubo ha una sua proprietà elettronica. E‟ ovvio che le proprietà elettroniche di un conduttore monodimensionale sono comunque di grande interesse, infatti in un sistema di questo tipo è possibile predire interazioni coulombiane come quelle di un gas elettronico fortemente correlato (liquido di Luttinger) invece che un comportamento da gas di Fermi (particelle poco interagenti) tipico dei metalli. In questo momento i risultati sperimentali sono piuttosto controversi e non è chiaro quale sia il comportamento vero che ci si deve aspettare da un SWCNT. Un nanotubo perfetto, i cui elettroni sono completamnte scorrelati, si dovrebbe comportare come un conduttore balistico: se un elettrone viene iniettato da un contatto ideale in un “filo balistico” e se il filo ha un altro contatto ideale, l‟elettrone iniettato uscirà dal secondo contatto. Questo comportamento implica che non ci sono fenomeni di backscattering nel filo. Se si studia un “tubo balistico” la teoria predice l‟esistenza di due automodi indipendenti, quindi la conduttanza sarà esattamente il doppio. Si osservi che la resistenza non è nulla, come nel caso di un superconduttore, ma essa è indipendente dalla lunghezza del tubo, in contrasto con la legge di Ohm. In letteratura si trovano alcuni esempi che suggeriscono un comportamento balistico anche per i MWCNT. Ad esempio a sinistra si vede un tipico esempio che evidenzia un comportamento balistico. In questo caso il controelettrodo è un film di mercurio liquido, si osserva che immergendo i nanotubi nel liquido si ottengono dei plateau nella conduttanza del sistema che quindi è balistica, cioè indipendente dalla lunghezza del nanotubo immerso. Un altro esperimento simile si può realizzare utilizzando una struttura metallica litografata che supporta un nanotubo. Nel caso in figura si tratta di un MWCNT. La conducibilità misurata può essere pensata come quella di un SWCNT poiché il flusso elettronico in questo caso dovrebbe interessare solo lo strato esterno, mentre gli strati interni migliorano la rigidità meccanica e, aumentando il diametro complessivo, cioè l‟area di contatto, garantiscono anche un miglioramento del contatto elettrico. Un esperimento di questo tipo, tipicamente, conduce a comportamenti diffusivi piuttosto che balistici. E‟ ovvio che questa incertezza sui risultati potrebbe generare confusioni, in effetti si dovrebbe sottolineare che esperimenti di questo tipo sono piuttosto difficili da controllare e che i due esperimenti iniettano le cariche in modo diverso. Proprietà elastiche A causa della struttura chimica dei nanotubi e ricordando che la grafite ha uno dei moduli di elasticità più grandi di quanto ad oggi conosciuto, c‟è da aspettarsi che un nanotubo si comporti meglio della grafite. Un metodo relativamente semplice per misurare le proprietà meccaniche dei nanotubi consiste nel depositarli su una superficie pulita di allumina a partire da una sospensione in un liquido adatto dopo filtrazione da una membrana con pori di dimensione di qualche centinaio di nanometri. In figura si vede come l‟uso di un microscopio a forza atomica e una buona dose di fortuna consente la caratterizzazione meccanica del materiale, in particolare, dopo aver localizzato un nanotubo che fortunosamente si trova sospeso sopra un poro dell‟allumina, si procede a misure di forza. La deflessione misurata è inversamente proporzionale al modulo di Young. Per nanotubi prodotti con scarica ad argon si è trovato che il modulo di Young è circa 0,8TPa ma nel caso di nanotubi cresciuti con metodi catalitici il modulo di Young è più piccolo anche di due ordini di grandezza. Questi risultati indicano chiaramente che la qualità del processo di crescita si ripercuote in modo anche importante sulla qualità dei nanotubi prodotti (difetti!).