uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione

Prevenzione Oggi
Vol. 6, n. 1/2, 5-22
USO DELLA MICROSCOPIA ELETTRONICA PER LA CARATTERIZZAZIONE
DI NANOTUBI DI CARBONIO A PARETE MULTIPLA PRODOTTI CON LA
DEPOSIZIONE DA FASE VAPORE
Stefano Casciardi*, Francesca Tombolini*, Marco Diociaiuti**, Paola Castrucci***, Manuela Scarselli***, Claudia Scilletta***, Maurizio
De Crescenzi***
* Istituto Superiore per la Prevenzione e la Sicurezza del Lavoro (ISPESL), Dipartimento Igiene del Lavoro, Monte Porzio Catone (Roma)
** Istituto Superiore di Sanità (ISS), Dipartimento Tecnologie e Salute, Roma
*** Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”, Dipartimento di Fisica, Roma
(Parole chiave: nanotubi di carbonio, deposizione da fase vapore, microscopia elettronica a scansione, microscopia
elettronica a trasmissione, caratterizzazione)
SINTESI
CONTESTO - La caratterizzazione chimica e fisica dei nanomateriali è indispensabile per mettere a punto il
processo di produzione, per la loro applicazione tecnologica e commerciale, nonché per valutare, tramite studi
in vitro e in vivo, la loro tossicità. Nuovi materiali e nuovi processi di crescita vengono continuamente generati
per sfruttare sempre più le innovative proprietà dei nanomateriali.
OBIETTIVI - In tale lavoro sono stati prodotti nanotubi di carbonio a parete multipla, con pochi difetti strutturali
e caratteristiche chimiche e fisiche uniformi, mettendo a punto un processo di crescita riproducibile. Il numero
delle pareti e le dimensioni dei diametri esterni e dei canali interni determinano le caratteristiche chimiche e
fisiche dei nanotubi. Riuscire a sintetizzare nanotubi con specifiche dimensioni significa anche definire le
caratteristiche, le proprietà e quindi anche le applicazioni del nanomateriale. Sono state usate, tra le varie
tecniche a disposizione per ottenere le principali informazioni chimiche e fisiche dei nanotubi, le microscopie
elettroniche a scansione e a trasmissione.
METODI - La produzione di nanotubi di carbonio a parete multipla è avvenuta utilizzando la tecnica della
deposizione da fase vapore. Sono stati sintetizzati e analizzati in particolare due campioni, uno privo di
decorazione e un altro decorato con rame. La caratterizzazione è stata effettuata utilizzando la microscopia
elettronica a scansione e la microscopia elettronica a trasmissione. Sono state impiegate tecniche di
microscopia convenzionali e tecniche avanzate quali l’alta risoluzione e l’acquisizione di spettri a perdita di
energia degli elettroni.
RISULTATI - Le immagini e gli spettri ottenuti hanno permesso di definire e misurare le caratteristiche
principali dei nanotubi prodotti, tra cui il valore del diametro esterno, quello del canale interno e il numero
delle pareti, la dispersione di tali parametri. Inoltre è stato possibile stabilire la presenza di carbone amorfo,
porzioni di grafeni o di altri difetti strutturali sulla superficie esterna dei nanotubi, nonché la presenza di elementi
BOW PO/base indexing:
CIS: Microscopia elettronica [CIS: Qem]; Analisi chimiche [CIS: Qic]; Valutazione del materiale [CIS: Qreq]
EUOSHA OSH: Misura e valutazione [EUOSHA OSH: 12561D]; Rischi relativi alla manipolazione di materiali [EUOSHA
OSH: 39881B]
5
Prevenzione Oggi gennaio - giugno 2010
pesanti quali ad esempio quelli dovuti al materiale catalizzatore e a quello usato per la decorazione. Il processo
di sintesi messo a punto consente di ottenere nanotubi con caratteristiche sufficientemente definite, uniformi
e riproducibili. Le tecniche di microscopia elettronica utilizzate sono risultate adeguate per ottenere le
informazioni morfologiche, strutturali e sulla composizione in elementi dei nanotubi. Alcuni dei metodi analitici
descritti in tale studio sono gli stessi che devono essere utilizzati anche per la caratterizzazione dei
nanomateriali da impiegare in indagini di citotossicità e genotossicità e per l’esame del particolato
aerodisperso.
INTRODUZIONE
I nanotubi sono stati scoperti casualmente nel 1991 dal fisico Sumio Iijima della NEC Corporation
(Giappone), analizzando i prodotti ottenuti nel processo di crescita dei fullereni, la terza specie allotropica
del carbonio [1]. In realtà inconsapevolmente già alla fine degli anni ‘50 (Roger Bacon della Union Carbide,
USA) e successivamente negli anni ‘70 e ‘80 (Morinobu Endo) avevano osservato i nanotubi ma non li
avevano riconosciuti in quanto tali [2-4].
Come per tutti i materiali di dimensioni nanometriche, anche i nanotubi manifestano caratteristiche tecniche
che li rendono particolarmente attraenti nelle più svariate applicazioni [5-12]. Molteplici sono i settori
d’impiego in cui si utilizzano le specifiche proprietà dei nanotubi di carbonio e molti altri sono i potenziali
settori in cui la ricerca applicata sta investendo cospicue risorse. Ad esempio tali materiali sono molto
resistenti alla trazione. Si può anzi affermare che i nanotubi di carbonio, privi di difetti strutturali,
costituiscono il materiale organico più resistente. I nanotubi sono inoltre molto leggeri ed estremamente
flessibili, infatti possono essere piegati ripetutamente fino a 90° senza essere danneggiati. Tutte queste
proprietà li rendono i migliori materiali oggi esistenti per essere impiegati come fibre di rinforzo nei materiali
compositi ad alte prestazioni, in sostituzione e con proprietà di gran lunga superiori alle normali fibre naturali
o artificiali finora usate, quali ad esempio le fibre di carbonio, il kevlar o le lane di vetro, per citarne qualcuna.
Pur se il costituente base dei nanotubi di carbonio è il foglio grafitico, le buone proprietà di conduzione
elettrica della grafite si ritrovano solo parzialmente nei nanotubi, che risultano degli ibridi elettronici. I
nanotubi a singola parete possono infatti comportarsi come un metallo o come un semiconduttore a
seconda delle caratteristiche geometriche, perché la loro conducibilità elettrica dipende dal diametro e dalla
chiralità (direzione di arrotolamento del foglio grafitico rispetto all’asse del nanotubo). Inoltre le proprietà di
conduzione elettrica dei nanotubi possono essere variate drogandoli, ad esempio con atomi di azoto o di
boro. Tutte queste proprietà suggeriscono di utilizzare i nanotubi per la costruzione di dispositivi elettronici
di dimensioni molto inferiori e di prestazioni molto superiori rispetto a quelli attuali costruiti sulla fisica del
silicio. Con i nanotubi di carbonio si possono realizzare diodi, transistor, LED, laser a ultravioletti, celle
fotovoltaiche, cannoni elettronici per la produzione di schermi al plasma ad altissima definizione e molto
altro. Un’ulteriore proprietà dei nanotubi è la loro capillarità dovuta alla forma tubolare e all’elevato rapporto
superficie/peso. Tale caratteristica rende i nanotubi ideali per l’adsorbimento di gas e la loro applicazione
nella realizzazione delle celle a combustibile. I nanotubi reagiscono inoltre alla presenza di campi elettrici
piegandosi e modificando in tal modo la loro frequenza di risonanza. Tale caratteristica potrebbe trovare
applicazioni nel campo delle nanotecnologie, con la realizzazione di nanobilance e di attuatori
elettromeccanici nanometrici. Possedendo i nanotubi tutte queste, e altre, proprietà non ci si può stupire
se già molti prodotti commerciali li contengono e molti altri sono in fase di studio, di progettazione e di
immissione sul mercato. A fronte di un già vasto uso dei nanomateriali, e di un prevedibile ulteriore
incremento, non sono ben noti i loro possibili effetti negativi sulla salute. Le dimensioni nanometriche
permettono a tali materiali di attraversare qualunque barriera biologica. Se da un lato questa caratteristica
può essere sfruttata in applicazioni biomediche, si pensi ad esempio al trasporto di farmaci in organi
bersaglio, dall’altro pone non poche preoccupazioni per il rischio che agenti potenzialmente dannosi siano
6
Uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio a parete multipla prodotti con la deposizione da fase vapore
estremamente pervasivi. Studi di citotossicità e genotossicità in vitro e in vivo, insieme a studi epidemiologici
sulla correlazione tra concentrazioni di particelle ultrafini e malattie cardiorespiratorie, cominciano a fornire
qualche informazione sugli effetti biologici dei nanomateriali [13-17]. Gli studi sui nanotubi, effettuati su
culture cellulari e animali da laboratorio, stanno fornendo evidenze di effetti citotossici, genotossici, da
stress ossidativo e a carico dei sistemi respiratorio, cardiocircolatorio, neurologico e immunitario. Le
conclusioni riportate dai diversi autori sono però talvolta in contrasto tra di loro. In parte ciò può essere
imputato al fatto che sono diverse le condizioni sperimentali (ad es. i tipi di cellule e di animali esposti, i
nanotubi usati per l’esposizione, i valori delle dosi) con cui sono state condotte le indagini. Per alcuni di tali
parametri il controllo non è affatto agevole. Un esempio è dato proprio dai campioni di nanotubi. Se sono
diversi nei vari esperimenti (a parete singola, a parete multipla, pristini, purificati, funzionalizzati, decorati),
si otterranno risposte differenti da parte dei sistemi biologici. Anche se si utilizza lo stesso tipo di nanotubi,
possono esserci differenze anche notevoli tra un campione e l’altro. Questo è vero anche e ancor di più se
i nanotubi sono di origine commerciale, poiché in tal caso possono essere completamente diversi tra una
fornitura e l’altra pur se acquistati dallo stesso venditore. È evidente come tali circostanze rendano difficile
il confronto tra i risultati ottenuti non solo da laboratori diversi, ma anche all’interno dello stesso gruppo di
ricerca, se non vi è un accuratissimo controllo delle condizioni sperimentali. Le caratteristiche tecniche e
gli effetti biologici sono fortemente dipendenti dalle proprietà chimiche e fisiche dei nanomateriali in generale
e quindi, nel caso specifico, anche dei nanotubi. Risulta pertanto indispensabile, sia per la loro applicazione
tecnologica sia per valutare eventuali effetti negativi sulla salute, caratterizzare quanto più accuratamente
possibile i nanotubi da un punto di vista chimico e fisico.
Attualmente poche sono le certezze disponibili nel campo delle nanoparticelle, a partire dalla nomenclatura
per arrivare alle procedure di caratterizzazione. Tra le varie iniziative intese a colmare il vuoto generato dalla
mancanza di linee guida e norme di buona tecnica nel settore dei nanomateriali e delle nanotecnologie,
l’Organizzazione Internazionale per la Normazione (ISO), organismo mondiale di normazione, su richiesta
dell’Ente Nazionale di Normazione del Regno Unito (BSI), ha istituito un Comitato Tecnico Internazionale
(ISO/TC 229), che si occupa di normazione nel campo delle nanotecnologie.
Il Comitato ha affrontato anche le tematiche relative a:
•
•
•
•
•
•
classificazione;
terminologia e nomenclatura;
metrologia di base;
caratterizzazione, comprese taratura e certificazione;
aspetti ambientali;
gestione del rischio.
Sono stati istituiti quattro gruppi di lavoro (TC 229/WG1 Terminologia e nomenclatura, TC 229/WG2
Misurazione e caratterizzazione, TC 22/WG3 Salute, sicurezza e aspetti ambientali delle nanotecnologie,
TC 229/WG 4 Classificazione dei materiali). Finora sono stati pubblicati due documenti [18, 19] ed è prevista
la pubblicazione di altri trentasei; tra questi diversi sono quelli dedicati alla caratterizzazione di nanotubi di
carbonio sia a parete multipla sia a parete singola da effettuare tramite microscopia elettronica, a
trasmissione e a scansione. Alcuni esempi sono la ISO/AWI TS 10797 “Nanotubi - Uso della microscopia
elettronica a trasmissione (TEM) nei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs)” e la ISO/AWI TS 10798
“Nanotubi - Microscopia elettronica a scansione (SEM) e analisi a dispersione di energia di raggi X (EDXA)
nella caratterizzazione dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs)”. In attesa che siano emanate
tali procedure e sia fatta chiarezza su come eseguire la caratterizzazione dei nanomateriali e dei nanotubi,
ogni laboratorio adotta i criteri che ritiene più opportuni e affidabili.
In questo lavoro si riporta la caratterizzazione eseguita con la microscopia elettronica su nanotubi prodotti
tramite la deposizione chimica da fase vapore (CVD).
I nanotubi di carbonio sono prodotti utilizzando tecniche diverse, alcune delle quali si basano sulla
vaporizzazione di un blocco di grafite (tramite ad esempio un arco elettrico o un raggio laser), altre sulla
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Prevenzione Oggi gennaio - giugno 2010
decomposizione di un precursore gassoso contenente carbonio su di un catalizzatore finemente disperso
CVD [20-23]. Questo secondo metodo lavora a temperature sensibilmente inferiori ed è preferibile poiché
consente un maggiore controllo dei parametri di crescita [24].
La caratterizzazione è stata effettuata utilizzando il microscopio elettronico a scansione e, soprattutto, il
microscopio elettronico a trasmissione. Lo scopo è stato di misurare i principali parametri dei nanotubi
prodotti, ovvero il diametro esterno, il numero delle pareti, il diametro del canale interno, e di individuare la
presenza di carbonio amorfo sulle pareti o quale contaminante, di difetti strutturali nelle pareti, di
nanoparticelle del catalizzatore e del materiale utilizzato per la eventuale decorazione dei nanotubi.
L’uso dei microscopi elettronici ha permesso la misura dei diversi parametri e quindi anche di validare e
mettere a punto il processo di crescita dei nanotubi.
Tra le varie tecniche analitiche a disposizione per la caratterizzazione dei materiali, le microscopie
elettroniche sono le più idonee quando si ha a che fare con oggetti di dimensioni nanometriche, per la loro
capacità di fornire dati sulle caratteristiche chimiche e fisiche a risoluzioni che vanno dalle decine fino alle
frazioni di nanometro [25-27].
1. MATERIALI E METODI
I nanotubi sono stati realizzati con la deposizione chimica da fase vapore. Quale supporto dei nanotubi è
stato utilizzato un wafer di silicio su cui è stato fatto crescere uno strato di diossido di silicio. Il wafer è stato
inserito nella camera di crescita e su di esso, in condizioni di alto vuoto, sono state deposte nanoparticelle
di ferro come catalizzatore. Successivamente nella camera è stato introdotto acetilene (C2H2), innescando
il processo di crescita dei nanotubi di carbonio per CVD. Durante il processo di crescita il wafer viene
riscaldato. Se necessario, terminato il processo di crescita dei nanotubi, può essere depositato sul wafer
un elemento per decorare i nanotubi, quale ad esempio il rame, sotto forma di nanoparticelle. Per ulteriori
dettagli sulla crescita dei nanotubi si rimanda alla bibliografia [28, 29].
Tramite la microscopia SEM è possibile osservare come sono cresciuti i nanotubi sul supporto di silicio.
Una porzione rettangolare del wafer, di circa 5 mm per 15 mm di dimensioni, viene posta su di uno stub di
alluminio e osservata al SEM (modello 360 StereoScan, Cambridge Instruments, Cambridge, UK). Le
immagini sono state ottenute con un’energia del fascio primario di 10 keV. La microscopia SEM permette
analisi fino a risoluzioni dell’ordine di 50 nm. Per analizzare i nanotubi a risoluzioni inferiori, fino al decimo
di nm, è stata utilizzata la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Il microscopio usato (modello Tecnai
12 G2 Twin, FEI Company, Hillsboro, Oregon, USA) ha un cannone termoionico a cristallo di esaboruro di
lantanio ed è completo di spettrometro a dispersione di energia dei raggi X (modello Genesis 4000, EDAX
Inc., Mahwah, New York, USA) e di filtro di energia per gli elettroni (modello Bio filter, GATAN Inc., Pleasanton,
California, USA).
Per l’osservazione con la microscopia TEM i nanotubi sono stati staccati dal supporto e dispersi in alcol
isopropilico. La sospensione è stata posta in bagno di ultrasuoni per circa 5 minuti. Poche gocce della
sospensione sono state deposte su retini d’oro, da 1.000 maglie/pollice (mesh), di dimensioni standard
(diametro pari a 3,05 mm). Qualora si fosse interessati ad analizzare anche la lunghezza dei nanotubi è
necessario deporre qualche goccia di sospensione su di un retino di rame da 400 mesh su cui sia stato
preventivamente deposto uno strato di carbone amorfo. Poiché la misura della lunghezza dei nanotubi può
essere comodamente effettuata al SEM e poiché tale informazione è di scarsa utilità, in quanto l’elevatissimo
rapporto della lunghezza sul diametro può di fatto permettere di considerare i nanotubi strutture
unidimensionali, cioè con lunghezza infinita rispetto al diametro, non sono stati utilizzati i retini di rame con
depositato carbone amorfo. Al contrario sono stati utilizzati solo retini d’oro senza alcun supporto. I nanotubi
rimangono sospesi tra le barre del retino, e l’assenza del supporto permette l’osservazione ottimale.
8
Uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio a parete multipla prodotti con la deposizione da fase vapore
Sono state acquisite numerose immagini convenzionali a medi ingrandimenti ed anche immagini ad alta
risoluzione. Già la qualità delle immagini a medi ingrandimenti consente la misura dei diametri esterni e
interni dei nanotubi, e quindi di calcolare il numero delle pareti dei nanotubi. Le immagini ad alta risoluzione
consentono di misurare direttamente il numero e la distanza tra le pareti, di valutare la presenza di difetti
strutturali, nonché la presenza di carbone amorfo sulle pareti esterne dei nanotubi.
La composizione chimica dei nanotubi, delle nanoparticelle del catalizzatore e di quelle usate per la
decorazione è stata analizzata tramite la spettroscopia a dispersione di energia dei raggi X (EDXS) e gli
spettri a perdita di energia degli elettroni (EELS). Analizzando la forma fine dello spettro EELS in prossimità
della soglia K del carbonio (energy-loss near edge structure, ELNES), si possono ricavare informazioni sulla
natura dei legami chimici del carbonio nei nanotubi, mentre lo studio delle oscillazioni nello spettro
successive al picco del carbonio (extended energy-loss fine structure, EXELFS) consente di ottenere
informazioni strutturali sul nanomateriale [30, 31]. Tali elaborazioni dei dati spettrali sono molto complesse
e richiedono l’uso di sofisticati programmi di simulazione e una particolare specializzazione.
Le immagini e gli spettri a perdita di energia degli elettroni sono stati acquisiti utilizzando il filtro di energia
degli elettroni e una slow-scan CCD camera (modello 794 IF, GATAN Inc., Pleasanton, California, USA).
2. RISULTATI
Diversi campioni di nanotubi sono stati cresciuti tramite CVD, variando le condizioni sperimentali della
deposizione. In questo lavoro si riportano, per mostrare la potenzialità delle tecniche, i dati relativi ad alcuni
campioni.
Tramite la microscopia SEM si è verificato come sono cresciuti i nanotubi sul supporto. Nelle Figure 1 e 2
sono riportate due micrografie SEM relative a due diversi campioni di nanotubi sul supporto di silicio.
La prima immagine mostra una crescita di nanotubi completamente disordinata sul substrato mentre la
seconda una crescita ordinata di nanotubi paralleli tra di loro e tutti perpendicolari al substrato. Queste
differenze possono essere messe in relazione alle diverse condizioni di sintesi per i due campioni e quindi
la microscopia SEM è un elemento formidabile per stabilire i parametri di crescita dei vari campioni. Inoltre
nel caso della micrografia riportata nella Figura 2, si può ottenere una stima della loro lunghezza. Una misura
più accurata della lunghezza si potrebbe ottenere staccando i nanotubi dal supporto, trattandoli con
tensioattivi in modo da separarli e depositandoli su di uno stub o su di un retino ricoperto da uno strato di
carbone amorfo. Non è stata eseguita tale analisi, in quanto di scarsa utilità per i nostri scopi. Infatti per i
futuri impieghi dei nanotubi, questi possono ritenersi a tutti gli effetti oggetti monodimensionali. La
microscopia SEM permette di stabilire immediatamente se il processo di sintesi dei nanotubi è avvenuto
correttamente, come ad esempio nelle due immagini riportate, se la crescita è avvenuta uniformemente su
tutto il wafer, se vi sono delle contaminazioni che alterano o addirittura impediscono il processo di sintesi.
Poiché i nanotubi sono conduttivi, non è necessario metallizzare il campione, depositandovi sopra ad
esempio uno strato di oro. Questo implica che l’analisi al SEM non è distruttiva e non altera il campione di
nanotubi, i quali possono così essere utilizzati per successive analisi o applicazioni.
9
Prevenzione Oggi gennaio - giugno 2010
FIGURA 1 - Micrografia SEM dei nanotubi sul supporto di silicio, con crescita disordinata
FIGURA 2 - Micrografia SEM dei nanotubi sul supporto di silicio, con crescita ordinata
Sono quindi state acquisite immagini TEM convenzionali a diversi valori di ingrandimenti e immagini ad
alta risoluzione.
10
Uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio a parete multipla prodotti con la deposizione da fase vapore
In Figura 3 è mostrata una micrografia TEM dei nanotubi sospesi tra le barre di una maglia di un retino d’oro
a 1.000 mesh (nella Figura le barre sono parzialmente visibili in alto e a destra e sono del tutto nere in quanto
bloccano completamente tutti gli elettroni incidenti). L’uso di retini d’oro a elevato valore di mesh senza
supporti aggiuntivi risulta il metodo migliore per ottenere immagini e per effettuare misure spettroscopiche
sui nanotubi. Infatti la presenza di uno strato di carbone amorfo come supporto, per quanto sottile,
peggiorerebbe il contrasto ottenibile per le foto e interferirebbe con l’analisi EELS dei nanotubi.
FIGURA 3 - Micrografia TEM dei nanotubi sospesi tra le barre di una maglia di un retino d’oro a 1.000 mesh
Sono state quindi acquisite diverse immagini TEM convenzionali a ingrandimenti sufficientemente elevati (44 kX
- 69 kX) per consentire un’agevole misurazione dei diametri esterni e dei canali dei nanotubi. In Figura 4 è
riportata una delle immagini TEM acquisite per un campione di nanotubi non decorati e utilizzate per la misura
dei diametri dei nanotubi. Nell’immagine sono facilmente distinguibili le caratteristiche geometriche essenziali
del tubo, con le pareti esterne più scure e il canale interno più chiaro. Con la microscopia SEM non si riescono
ad ottenere tutte queste informazioni, in quanto fornisce solo immagini delle superfici tubolari dei campioni,
senza aggiungere dettagli sulla loro struttura interna (in pratica non è possibile stabilire se i tubi sono pieni o
vuoti). Per l’analisi delle dimensioni sono state utilizzate dalle 4 alle 10 immagini TEM, con le quali è stato possibile
acquisire i valori dei diametri di un numero compreso tra i 60 e gli 80 nanotubi. Si deve evitare di misurare più
volte il diametro dello stesso nanotubo. Quindi le immagini devono contenere un numero di nanotubi sufficienti
per produrre una statistica significativa, ma anche sufficientemente dispersi e non aggrovigliati da permettere
di ottenere agevolmente la misura dei diametri e di seguire il percorso del nanotubo per non utilizzarlo più nelle
successive misurazioni. In Figura 5 è mostrata un’immagine TEM di un campione di nanotubi di carbonio
decorato con nanoparticelle di rame, facilmente osservabili attaccate sulle superfici esterne dei nanotubi.
11
Prevenzione Oggi gennaio - giugno 2010
FIGURA 4 - Una delle immagini TEM utilizzate per la misura dei diametri dei nanotubi, per il campione non decorato
FIGURA 5 - Una delle immagini TEM utilizzate per la misura dei diametri dei nanotubi, per il campione
decorato con Cu
12
Uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio a parete multipla prodotti con la deposizione da fase vapore
In Tabella 1 sono riportati i dati statistici relativi alla misura dei diametri esterni, dei canali interni e del numero
delle pareti per entrambi i campioni, non decorati e decorati. I dati sono stati ottenuti riportando su di un
istogramma il numero delle volte in cui sono stati contati il valore, ad esempio come mostrato in Figura 6, del
diametro esterno dei nanotubi; esso deve essere compreso in intervalli di 1 nm e facendo un fit con un numero
opportuno di gaussiane. I valori riportati in Tabella sono pari alla posizione del massimo della gaussiana, gli
errori associati sono pari a un sigma e le percentuali tra parentesi sono ottenuti in modo che la somma delle
aree sottese dalle gaussiane sia 100.
TABELLA 1 - Dati statistici relativi alla misura dei diametri esterni, del canale interno e del numero delle pareti
per i campioni non decorati e decorati di nanotubi
Campione
Diametro esterno (nm)
Nanotubi
non decorati
Nanotubi
decorati
Canale interno (nm)
Numero pareti
7,6 ± 1,7 (50%)
10,8 ± 3,0 (44%)
15,4 ± 1,5 (6%)
4,0 ± 1,0 (37%)
4,9 ± 3,3 (63%)
5 ± 1 (23%)
7 ± 1 (35%)
9 ± 4 (42%)
7,9
11,5
14,5
17,2
4,0 ± 2,3 (74%)
7,1 ± 2,4 (26%)
5
8
9
13
±
±
±
±
2,2
2,2
1,7
4,1
(33%)
(37%)
(23%)
(7%)
±
±
±
±
1
1
2
2
(9%)
(29%)
(41%)
(21%)
Note: gli errori associati ai valori dei diametri e delle pareti sono pari ad una deviazione standard.
FIGURA 6 - Istogramma delle misure del diametro esterno del campione di nanotubi non decorati
20
Conteggi
15
10
5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Diametro tubo (nm)
Sono state acquisite inoltre numerose immagini TEM ad alta risoluzione. Una di queste è riportata in Figura 7,
mentre in Figura 8 è riportato il profilo (numero di elettroni acquisiti in funzione della posizione) relativo alla sezione
individuata dal rettangolo indicato in Figura 7. È preferibile effettuare il profilo non su una singola linea di pixel ma
su un numero maggiore di linee per ridurre il contributo dovuto alle fluttuazioni del rumore di fondo nell’intensità
dei pixel e ottenere segnali ben definiti e contrastati. Dalle immagini ad alta risoluzione è possibile contare
13
Prevenzione Oggi gennaio - giugno 2010
direttamente il numero di pareti del nanotubo, misurare la distanza tra le pareti e verificare la presenza di difetti
strutturali del nanotubo, tipo la chiusura del canale interno, la rottura di una o più pareti, la presenza di materiale
carbonioso amorfo o cristallino sulle pareti esterne, la presenza di nanoparticelle del catalizzatore e del materiale
utilizzato per la decorazione sia all’interno sia all’esterno dei nanotubi. Nell’esempio della Figura 7 è facilmente
visibile come sulla parte esterna del nanotubo siano presenti carbone amorfo e frammenti di pareti e grafeni.
FIGURA 7 - Immagine TEM ad alta risoluzione di un nanotubo non decorato
FIGURA 8 - Profilo (numero di elettroni acquisiti in funzione della distanza) del rettangolo indicato in Figura 7
45
e-
40
35
30
0
5
10
nm
14
15
Uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio a parete multipla prodotti con la deposizione da fase vapore
La composizione in elementi dei nanotubi e delle nanoparticelle è stata analizzata tramite entrambe le
spettroscopie EDXS ed EELS disponibili con il TEM.
In Figura 9 è riportato uno spettro EDXS di soli nanotubi (carbonio) mentre in Figura 10 è riportato uno spettro
EDXS di nanoparticelle di catalizzatore (ferro) e materiale per la decorazione (rame). Il picco dell’oro è quello
dovuto al retino ed è sempre molto intenso, ma non interferisce con i picchi del campione.
FIGURA 9 - Spettro EDXS di soli nanotubi
Conteggi
100
50
0
0
5
10
15
Energia (keV)
FIGURA 10 - Spettro EDXS di nanoparticelle di catalizzatore (Fe) e materiale per la decorazione (Cu)
250
Conteggi
200
150
100
50
0
0
5
10
15
Energia (keV)
15
Prevenzione Oggi gennaio - giugno 2010
In Figura 11 è riportato uno spettro EELS con le soglie K del carbonio, K dell’ossigeno e L3 del ferro. La presenza
o meno dell’ossigeno è importante per valutare se il campione ha subito, e quanto, un processo di ossidazione.
Per la soglia K del carbonio, nelle Figure 12 e 13 sono riportati rispettivamente un esempio di spettro ELNES
e uno di spettro EXELFS. Quest’ultimo tipo di spettro può essere acquisito solamente in assenza del picco
dell’ossigeno, in quanto quest’ultimo interferirebbe con le oscillazioni estese del carbonio, rendendo di fatto
impossibile l’elaborazione dei dati per l’estrazione delle informazioni EXELFS. Si noti che è molto difficile
percepire con la sola ispezione visiva le oscillazioni nella parte della curva a più alte energie riportata in Figura
13. Solamente tramite particolari elaborazioni dei dati si possono estrarre tali informazioni e ottenere curve
quali quelle mostrate nelle successive Figure 15 e 16. Una delle maggiori potenzialità offerte dalla spettroscopia
EELS consiste nell’esatta localizzazione spaziale dei dati acquisiti. Infatti tramite opportune aperture è possibile
acquisire gli spettri provenienti solo da una limitata porzione del campione, dell’ordine di 50 nm. Un esempio
è mostrato in Figura 14, dove è riportata la porzione di nanotubo da cui sono stati acquisiti gli spettri relativi
alle Figure 12 e 13.
FIGURA 11 - Spettro EELS con la soglia K del carbonio (284 eV), la soglia K dell’ossigeno (532 eV) e la soglia L3
del ferro (708 eV), per il campione non decorato
e- x 103
200
150
100
50
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
eV
FIGURA 12 - Spettro ELNES della soglia K del carbonio, per un nanotubo del campione non decorato
300
e- x 103
250
200
150
100
50
260
280
300
320
340
360
380
eV
16
400
420
440
460
480
500
Uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio a parete multipla prodotti con la deposizione da fase vapore
FIGURA 13 - Spettro EXELFS della soglia K del carbonio, per un nanotubo del campione non decorato
160
140
e- x 103
120
100
80
60
40
20
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
eV
FIGURA 14 - Porzione di nanotubo relativa agli spettri ELNES ed EXELFS delle Figure 12 e 13
In particolare la spettroscopia EXELFS è molto potente giacché, con un’opportuna analisi di Fourier, si riescono
ad avere informazioni sulla distribuzione spaziale degli atomi primi vicini rispetto all’atomo eccitato esattamente
come quelle che vengono ottenute dalla spettroscopia che utilizza i raggi x (extended x-ray absorption fine
structure EXAFS), la quale, però, per essere utilizzata ha necessità di un sincrotrone e dà comunque
un’informazione mediata su tutto l’intero campione [32, 33]. In Figura 15(a), sono riportate le oscillazioni
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EXELFS ed EXAFS ricavate da spettri tipo quelli riportati in Figura 13 relative però a un campione di grafite
pirolitica altamente orientata (HOPG) e sono stati comparati con le oscillazioni ottenute da una simulazione
teorica della struttura della grafite, effettuata utilizzando il programma software FEFF v. 8.2 [34]. La grafite
pirolitica viene utilizzata perché è un materiale particolarmente idoneo per un confronto con i nanotubi di
carbonio a parete multipla. In Figura 15(a) è particolarmente evidente come le due diverse tecniche, quella
che utilizza elettroni (EXELFS) e quella che utilizza raggi X (EXAFS) per eccitare l’atomo di carbonio nella grafite,
riproducano in egual modo la posizione in energia delle strutture spettrali anche se le intensità differiscono
leggermente. Tali strutture spettrali, indipendentemente da come sono state generate, sono strettamente
correlate ai parametri strutturali della grafite. Si può notare, inoltre, che i dati sperimentali, molto simili tra loro,
sono in accordo con la simulazione teorica calcolata con FEFF considerando una sfera di grafite di raggio di
azione di 8 Å.
Le corrispondenti trasformate di Fourier, Figura 15(b), permettono di risalire alla grafite in termini di distanze
interatomiche. Se si considera infatti che l’atomo eccitato corrisponde allo zero (R=0), la posizione degli atomi
vicini corrispondono ai picchi nella funzione di distribuzione radiale F(R).
La distribuzione radiale della grafite, sia per quanto riguarda l’EXAFS che l’EXELFS, è decisamente ben
riprodotta.
A meno di un fattore di fase, si può concludere che:
• il primo picco rappresenta i primi vicini a 1,42 Å;
• il secondo picco rappresenta quelli a 2,46 Å e 2,83 Å;
• il terzo include tutti gli atomi a una distanza dall’atomo eccitato compresa tra 3,35 e 4 Å.
Questo risultato è confermato dalla simulazione teorica eseguita tramite FEFF (curva blu).
F(R) (unità arbitrarie)
kχ(k) (unità arbitrarie)
FIGURA 15 - Confronto delle oscillazioni degli spettri EXELFS, EXAFS e della curva teorica per la HOPG (a) e
le corrispondenti trasformate di Fourier (b)
4
18
6
8
10
0
1
2
k(Å-1)
R(Å)
(a)
(b)
3
4
Uso della microscopia elettronica per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio a parete multipla prodotti con la deposizione da fase vapore
In Figura 16(a) è mostrato il confronto tra le oscillazioni EXELFS di grafite HOPG e dei nanotubi di carbonio a
parete multipla. Per quanto riguarda questi ultimi é importante notare come nel loro spettro EXELFS non vi
sia traccia di ossigeno (530 eV) e azoto (410 eV); questa caratteristica induce a pensare che siano tubi ben
grafitizzati poiché azoto e ossigeno possono creare difetti strutturali nelle pareti del tubo stesso. Inoltre è
anche possibile evincere che in questo campione di nanotubi a parete multipla non vi siano precursori metallici,
quali il ferro (720 eV), utilizzati nel processo di sintesi.
Le trasformate di Fourier di Figura16(b), calcolate a partire dagli spettri di Figura 16(a), mettono in evidenza
come le due strutture della grafite e dei nanotubi a parete multipla siano abbastanza simili ma non identiche
[30, 35]. Quanto finora descritto evidenzia in particolare le potenzialità enormi di questa tecnica per lo studio
della struttura in termini di distanze inter-atomiche intorno ad un atomo eccitato.
FIGURA 16 - Confronto per la HOPG ed i nanotubi di carbonio a parete multipla non decorati degli spettri
EXELFS e delle loro elaborazioni effettuate per evidenziare le oscillazioni (a) e delle corrispondenti
trasformate di Fourier (b)
E (eV)
450
600
750
kχ(k)
F(R)
EXELFS
300
4
6
8
10
0
1
2
3
k(Å )
R(Å)
(a)
(b)
-1
4
3. CONCLUSIONI
I dati ottenuti confermano che la microscopia elettronica è una tecnica elettiva per la caratterizzazione di campioni
di nanotubi, grazie alla possibilità di fornire informazioni morfologiche, strutturali e di composizione elementale.
Inoltre rispetto ad altre tecniche pure estremamente utili per la caratterizzazione dei nanotubi, quali ad esempio
la spettroscopia Raman, consente di ottenere i dati molto ben localizzati spazialmente su zone limitate di singoli
nanotubi, e non solo su campioni massivi di dimensioni micrometriche o superiori, in cui inevitabilmente le
informazioni provengono da un gran numero di oggetti, tra cui possono trovarsi anche impurezze indesiderate
che a volte generano segnali che mascherano irrimediabilmente i dati provenienti dai nanotubi.
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In particolare la microscopia TEM è risultata molto efficace per eseguire le analisi dei campioni di nanotubi,
grazie anche alle possibilità offerte dalla presenza del filtro a energia degli elettroni sia per l’acquisizione delle
immagini sia per l’impiego spettroscopico.
L’uso dell’EELS permette di ottenere informazioni spettroscopiche e strutturali molto ben localizzate, ma è
abbastanza limitato dalla bassa efficienza di rivelazione per gli elementi pesanti, dall’intrinseca difficoltà della
tecnica di fornire informazioni quantitative sull’abbondanza degli elementi presenti nel campione e dalla
estrema specializzazione necessaria per eseguire analisi ELNES ed EXELFS. Quest’ultima circostanza restringe
l’impiego dell’EELS alla caratterizzazione di nanomateriali da parte di strutture dotate di particolari risorse e
non può essere indicata come tecnica di analisi di uso abitudinario.
L’importanza di poter correttamente caratterizzare, ad esempio con le tecniche descritte, i nanotubi e più in
generale i nanomateriali è destinata a crescere, a ragione del loro sempre maggior impiego e diffusione. La
caratterizzazione è una fase necessaria per mettere a punto i processi di sintesi. Per quanto accurato possa
essere il controllo dei parametri (quali ad esempio, nel caso di deposizione da fase vapore, la temperatura del
substrato, il livello di vuoto, la pressione del precursore gassoso, le dimensioni del catalizzatore) i nanotubi
sintetizzati in processi diversi avranno necessariamente caratteristiche diverse. Ciò è noto per chi, ad esempio,
acquista nanotubi commerciali, i quali pur se acquistati dallo stesso venditore sono completamente diversi
tra le varie forniture. In diversi casi si è potuto verificare, grazie proprio alle analisi effettuate con la microscopia
TEM, che il processo di crescita dei nanotubi commerciali non era stato ben condotto, con la conseguente
produzione di nanotubi pieni di difetti strutturali, spesso del tipo bamboo like, con una configurazione difforme
rispetto a quella tipica di un nanotubo, ovvero senza un numero di pareti definito, un diametro esterno uniforme
e la presenza di un canale interno.
La caratterizzazione è inoltre fondamentale per valutare correttamente l’influenza che i nanomateriali possono
avere sui sistemi biologici, poiché la presenza o meno di effetti negativi è strettamente correlata al tipo di
nanostruttura coinvolta. Infine anche l’analisi del particolato aerodisperso è sempre più interessata dalla
presenza di materiali nanostrutturati prodotti intenzionalmente dall’uomo e che si disperdono negli ambienti
lavorativi e di vita. La microscopia elettronica, con i suoi potenti strumenti di analisi, si rivela particolarmente
utile nella caratterizzazione delle particelle ultrafini in cui sono presenti le strutture più variegate, differenti per
composizione, granulometria, stato di aggregazione, provenienza. Tali indagini risultano fondamentali sia per
correlare la presenza di effetti biologici sull’uomo ai reali agenti nocivi sia per individuare le sorgenti antropiche
e non che sono maggiormente responsabili della produzione di particolato aerodisperso nanometrico.
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