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I nanotubi di carbonio.

Il carbonio

Il carbonio è un atomo che ha valenza 4.
In altre parole, ogni atomo di carbonio può legarsi con altri 4 atomi, al massimo.
Teoricamente, gli elettroni del carbonio dovrebbero vagare su quattro porzioni di spazio distinte dette orbitali, un orbitale S e 3 orbitali P che vediamo in figura, ma, a seconda del tipo di legami che il carbonio fa con gli altri atomi e dell'energia che gli viene fornita, può avere tre tipi di ibridazione, cioè tre forme diverse.

Orbitali S e P del carbonio.

Durante l'ibridazione, due o più orbitali diversi perdono la propria forma originaria ed assumono una forma intermedia detta ibrida.
L'orbitale S è sferico, l'orbitale P ha due lobi, gli orbitali ibridi SP, SP2 e SP3 hanno forme miste.
Si possono avere tre tipi di ibridazione:
La SP3 si ottiene quando si ibridano un orbitale S e tutti e tre gli orbitali P.
Il carbonio assume una forma tetraedrica e gli atomi che si legano al carbonio stesso si assestano nei tre vertici del tetraedro.

Un esempio tipico è la molecola del metano in cui un carbonio ha 4 orbitali ibridi SP3.

Forma degli orbitali del metano: il carbonio a 4 orbitali ibridi SP3.

La Sp2 si ottiene quando si ibridano un orbitale S e due orbitali P, mentre un terzo orbitale P mantiene la propria forma.
I tre orbitali ibridi si dispongono sullo stesso piano alla massima distanza tra loro, cioè a 120° l'uno dall'altro, mentre il restante orbitale P si dispone lungo l'asse perpendicolare al piano.

orbitali ibridi SP2

 

In questo caso la forma della molecola è planare.

L'ibridazione SP si ottiene quando un solo orbitale P si ibrida con un orbitale S.

 

L'esempio tipico è la molecola dell'Acetilene.
In questo caso, la molecola è lineare: il carbonio e gli atomi a lui legati formano una linea retta.

 

molecola di acetilene

 

Stati allotropici del carbonio.

Esistono delle macromolecole composte esclusivamente da atomi di carbonio: semplicemente ogni carbonio si lega ad altri quattro atomi identici.

Ce ne sono di vari tipi e forme.
Essi sono chiamati stati allotropici del carbonio.

L'ibridazione SP3 è la forma tipica dei carboni che compongono il diamante.
Prova ne è il fatto che il reticolo cristallino del diamante ha forma tetraedrica.

 

diamante

 

Invece il reticolo cristallino della grafite ha una struttura planare.
La grafite delle matite ha la forma di tanti fogli di atomi di carbonio disposti uno sopra l'altro.
Questo è tipico dell'ibridazione SP2, dove i tre legami SP2 tengono legati i carbonii dello stesso foglio grafitico, mentre il legame P, più debole, tiene unito un foglio di grafite con quello che gli sta sopra.
Ogni atomo di carbonio, nella grafite, è legato ad altri 4 atomi di carbonio, tre equidistanti nello stesso piano del primo, ed un quarto che si trova direttamente sopra o sotto.
Poichè ciascun carbonio è legato ad altri tre nanotubi nello stesso piano, il risultato è una struttura ad anelli esagonali come in figura.

 

struttura cristallina della grafite

 

Se si riesce a separare i fogli di grafite e ad isolarne uno, si ottiene il famoso Grafene, che al momento è sulla cresta dell'onda per via delle sue fantastiche proprietà fisiche e tecnologiche.

(Jeck86- Il grafene è più famoso di Costantino Vitagliano.

Tutti- Chi?)

 

 

Adesso facciamo un po'di ArtAttack: prendiamo uno strato di grafene e avvolgiamolo su se stesso a formare un cilindro.
Fatto?
Otterremo così quella cosa che noi chiamiamo Nanotubo di carbonio.
E senza usare colla vinilica.

 

 

Nei nanotubi di carbonio si osserva la stessa struttura ad anelli esagonali che si può notare nel grafene o nella grafite.

Esiste un altro stato allotropico del carbonio chiamato fullerene.Fullerene
Ha la forma di un pallone da calcio a spicchi esagonali, avete presente?
Ha la stessa struttura del grafene, ma avvolta a formare una sfera anzichè un tubo.
Nanotubi e fullereni sono parenti stretti.
Infatti il nanotubo è richiuso alle estremità da due calotte semisferiche, costituite da anelli pentagonali o esagonali che ricordano i fullereni.
Possiamo definire un nanotubo come un fullerene molto allungato.

 

 

 

 

 

 

 

 

Nanotubo di carbonio

 

I nanotubi di carbonio sono uno dei protagonisti della mia tesi.

I nanotubi di carbonio possono essere distinti in due tipi, in base alla struttura:
Ci sono i nanotubi a parete singola, che sono costituiti da un unico cilindro, ed i nanotubi a parete multipla, costituiti da tanti nanotubi a parete singola messi uno dentro l'altro, a matriosca.

I nanotubi di carbonio si distinguono anche in base alla chiralità, cioè in base al modo in cui sono disposti gli anelli esagonali rispetto all'asse del cilindro.
Si hanno tre possibili disposizioni: a zig-zag quando due lati di ciascun esagono sono paralleli all'asse, a sedia quando sono perpendicolari e a elica quando sono disposti secondo un orientamento intermedio.
Nel caso dei nanotubi a parete singola la chiralità influisce sulle proprietà elettriche del materiale, che possono variare da un comportamento metallico ad uno di tipo semiconduttore.

Chiralità dei nanotubi

Tale variabilità non è significativa per i nanotubi a parete multipla, che sono sempre di tipo conduttivo, essendo costituiti presumibilmente da nanotubi a diversa chiralità.

In determinate condizioni, gli elettroni possono passare all'interno del nanotubo senza scaldarlo (fenomeno della conduzione balistica).
Questa cosa meriterebbe un post a parte, ma non ho tempo nè voglia.
Diciamo allora che tutti conduttori possono trasportare corrente al loro interno, ma nel farlo si riscaldano e più si scaldano e peggio conducono la corrente.
I superconduttori offrono una resistenza quasi nulla al passaggio della corrente che da sola non li riscalda, tuttavia anche essi devono essere mantenuti a temperature bassissime per restare superconduttori.
I nanotubi e il grafene no.
Possono condurre corrente senza scaldarsi, anche a temperature relativamente alte.

La grande capacità dei nanotubi a parete multipla di condurre corrente è il principale motivo per cui li abbiamo impiegati, assieme alle piccole dimensioni.
Visti ad occhio nudo i nanotubi sembrano una polvere nera che può essere scambiata per polvere di grafite o sabbietta nera o limatura di ferro.
Essendo una polvere, possono essere facilmente dispersi in un materiale, modificandone, però, le proprietà elettriche.
Ma il modo in cui essi modificano le proprietà elettriche degli altri materiali verrà affrontato in un altro post.

 

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2015-04-25 1:11:39 AM

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