Sinossi: Nanotecnologia

Molecole extralunghe
I nanotubi di carbonio si allungano

Contesto: Ampi poco più di un nanometro, i nanotubi di carbonio sono diventati le superstar del mondo nano: insolitamente forti, elettricamente conduttivi e stabili alle alte temperature. Le fibre composte da nanotubi dovrebbero superare quelle realizzate con qualsiasi materiale esistente. Tuttavia, la lunghezza dei tubi - la maggior parte è lunga solo decimi di millimetro - richiede che siano allineati per le massime prestazioni. Ora, i ricercatori del Los Alamos National Laboratory e della Duke University hanno creato nanotubi lunghi centimetri e la cui lunghezza è controllata solo dalle dimensioni della camera utilizzata per crearli.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2005

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Metodi e risultati: Il team di Los Alamos ha sintetizzato i nanotubi facendo fluire vapori di etanolo a 900 gradi C su un catalizzatore di ferro individuato su un wafer di silicio. I tubi sono cresciuti da questi punti catalizzatori; il catalizzatore è stato spinto lungo la superficie del wafer nella direzione del flusso di gas. I tubi più lunghi sono cresciuti fino a quattro centimetri come linee rette attraverso la lunghezza del wafer di silicio, terminando solo sul bordo del wafer.

Perchè importa: Fasci di nanotubi di carbonio, filati come fibre, sono stati promossi per applicazioni in cui elevata resistenza e peso ridotto sono fondamentali, dalle attrezzature sportive come mazze da golf o racchette da tennis ai sogni fantascientifici di ascensori che si estendono nello spazio. Sebbene i tubi più corti abbiano molte applicazioni promettenti di per sé, i loro fasci non sono riusciti a raggiungere il loro potenziale a causa dei collegamenti deboli tra i tubi. L'allungamento dei tubi riduce questi problemi, avvicinando i ricercatori allo sfruttamento della notevole forza e conduttività dei fasci di nanotubi. Ma i ricercatori di Los Alamos e Duke hanno fatto di più che far progredire una tecnologia; hanno fatto l'impensabile, costruendo singole molecole lunghe quanto una graffetta.

Fonte: Zheng, L.X. et al. (2004) Nanotubi di carbonio a parete singola ultralunghi. Materiali della natura 3: 673-6.

nanocalderoni
Un percorso più amichevole verso le zeoliti

Contesto: I minerali chiamati zeoliti sono essenziali per la chimica industriale perché aiutano a convertire il petrolio greggio in sostanze chimiche utili, compresi i materiali utilizzati nella plastica. Riducendo drasticamente il costo dei prodotti petrolchimici, le zeoliti rendono più accessibile qualsiasi cosa, dalle pillole ai protettori tascabili. Ora i ricercatori dell'Università di St. Andrews in Scozia hanno scoperto un modo per produrre questi minerali nanostrutturati che non solo è più economico ma anche più veloce, più sicuro e meno tossico.

Metodi e risultati: Le zeoliti sono tipicamente prodotte in acqua calda a pressioni pericolosamente alte. I minerali sono crivellati di pori larghi nanometri; le molecole nascoste all'interno di questi pori reagiscono rapidamente e in modo pulito. I chimici creano le zeoliti attraverso una reazione di condensazione, durante la quale i precursori minerali incapsulano molecole aggiunte come stampi, formando un solido poroso. Invece di produrre zeoliti in acqua, Emily Cooper, postdoc in chimica a St. Andrews, e i suoi colleghi hanno usato sali liquidi a una temperatura relativamente bassa. Questi liquidi sono fatti di molecole cariche, o ioni, quindi i precursori minerali si condensano direttamente intorno a loro, eliminando la necessità di modelli. Successivamente, gli ioni di sale vengono rimossi, lasciando una struttura con fori di dimensioni nanometriche. La ricetta ha prodotto cinque nuovi materiali nanoporosi; due classi rappresentate che non erano mai state viste prima.

Perchè importa: Il processo standard per produrre zeoliti è costoso e pericoloso e richiede attrezzature specializzate. Con la nuova tecnica, anche un laboratorio di liceo dovrebbe essere in grado di realizzarli. I milioni di possibili composizioni saline prodotte attraverso questo processo potrebbero portare alla creazione di famiglie di zeoliti con funzioni completamente nuove, portando a prodotti di uso quotidiano migliori e più economici.

Fonte: Cooper, E.R. et al. (2004) Liquidi ionici e miscele eutettiche come solvente e stampo nella sintesi di analoghi della zeolite. Natura 430: 1012-6.

Devo sembrare nitido
La microscopia a forza atomica effettua misurazioni elettriche

Contesto: Il tasso di corrosione in dispositivi come batterie e semiconduttori è spesso dettato da imperfezioni di dimensioni nanometriche. I microscopi a forza atomica a conduzione (AFM) possono visualizzare questi nanodifetti, ma misurare con precisione le loro proprietà elettriche richiede di sapere quanta parte della punta conduttiva affilata del microscopio entra in contatto con la superficie attiva. Utilizzando un modello matematico, Ryan O'Hayre, un assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica della Stanford University, e i suoi colleghi hanno trovato un modo per misurare indirettamente questa area di contatto, superando un limite della microscopia con punta conduttiva e migliorando il controllo di qualità.

Metodi e risultati: I ricercatori hanno utilizzato una punta AFM rivestita di platino per monitorare la reazione tra idrogeno e ossigeno sulla superficie di una membrana polimerica della cella a combustibile; la cella a combustibile è stata scelta per dimostrare che le misurazioni su nanoscala possono essere correlate ai risultati su macroscala. La velocità della reazione dipende da quanta forza la punta applica alla membrana: la forza spinge insieme i materiali, facendoli deformare leggermente, e quindi aumenta l'area di interazione tra i due. Fondamentalmente, i ricercatori hanno dimostrato che l'area di interazione può essere stimata determinando la durezza della membrana, accompagnata da alcune ipotesi e trucchi matematici. I ricercatori hanno sperimentato tre ordini di grandezza di forza tra punta e campione e i loro risultati erano tutti coerenti con gli esperimenti convenzionali, rendendoli più credibili.

Perchè importa: La conduzione dell'AFM può fornire una risoluzione su scala nanometrica alle misurazioni elettriche di semiconduttori, celle a combustibile, batterie e altri dispositivi. Ma mentre era possibile misurare i cambiamenti relativi nelle proprietà come conduttività, capacità e impedenza attraverso la superficie di un singolo campione di materiale, confrontare tali misurazioni tra i materiali era stato impossibile. La conduzione dell'AFM, pur essendo in grado di trovare difetti, non ha potuto misurarne la gravità assoluta, poiché materiali diversi hanno interagito con la punta dell'AFM in modi diversi. Questo perfezionamento può convertire l'AFM conduttivo da strumento di ricerca in uno strumento utile in numerosi settori.

Fonte: O'Hayre, R. et al. (2004) Misurazione quantitativa dell'impedenza mediante microscopia a forza atomica. Rivista di fisica applicata 96: 3540-9.

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