Presso l’Università di Cambridge, è in corso un affascinante progetto sui nanotubi di carbonio, svolto in collaborazione con Bronkhorst,  su un reattore per controllare la produzione di questo materiale conduttore dalla resistenza eccezionale. Lasciate che vi spieghiamo qualcosa in più a riguardo e perché consideriamo i nanotubi di carbonio uno dei materiali del futuro.

Storia e futuro dei nanotubi di carbonio (CNT)

In principio, il carbonio era presente in tre forme molecolari:

• diamante
• grafite
• carbonio amorfo

A metà degli anni ‘80 del secolo scorso, nel settore della ricerca fece capolino una nuova forma molecolare che finì per dare vita al campo multidisciplinare della nanotecnologia. Questa molecola interamente in carbonio, il buckminsterfullerene, è una gabbia nanometrica di atomi di carbonio dotata di una struttura molecolare simile a quella di un pallone da calcio.

Modello 3D del buckminsterfullerene

Alcuni anni più tardi, venne alla luce un altro cugino del carbonio molecolare: i nanotubi di carbonio (CNT). La sua struttura, simile a quella del buckminsterfullerene, appare allungata in un tubo di dimensioni nanometriche, con una lunghezza milioni di volte superiore al rispettivo diametro. I forti legami del carbonio CNT e la sua ordinata struttura molecolare lo rendono il materiale più resistente mai creato, attirando così interamente l’attenzione di tutto il mondo scientifico. Gli elettroni scivolano regolarmente lungo il CNT, come conduttori unidimensionali stabili, il che rende la conducibilità elettrica del CNT quattro volte maggiore del rame e la sua capacità massima di trasporto di corrente ben 1.000 volte superiore a quella del rame.

Già nei primi anni 2000, i ricercatori hanno ideato processi per realizzare tessuti in CNT dotati di una microstruttura allineata e densamente incasellata. Inizialmente, le proprietà dei tessuti in CNT non riflettevano affatto le proprietà sensazionali delle rispettive molecole. Ma i costanti miglioramenti hanno portato alla realizzazione di una fibra in CNT assolutamente all’avanguardia, resistente come la fibra di carbonio convenzionale ma con una conducibilità di almeno quattro volte superiore. Continuando sulla scia di uno sviluppo costante, riteniamo di poter creare fibre CNT sostanzialmente più resistenti delle comuni fibre di carbonio, dotate di una conducibilità termica ed elettrica maggiore rispetto ai metalli tradizionali, come il rame e l’alluminio.

Data la loro elevata resistenza, le fibre in nanotubi di carbonio vengono applicate nei tessuti resistenti agli strappi (indumenti protettivi, giubbotti antiproiettile), nei compositi, nei composti di costruzione (ceramica, corpi leggeri per auto) e nei cavi. L’utilizzo dei nanotubi di carbonio potrebbe influire notevolmente sulla vita di tutti i giorni, proprio come la plastica ha cambiato il mondo a metà del XX secolo.

Nanotubi di carbone (CNT) all’Università di Cambridge

Il laboratorio di ricerca a Cambridge ha ideato un processo produttivo che non solo crea nanotubi di carbonio in volumi industrialmente competitivi, ma lo fa anche con una perfezione grafitica senza precedenti, riuscendo a realizzare tessuti macroscopici con una microstruttura allineata in un’unica fase produttiva. Questo processo è sostanzialmente più semplice dei processi produttivi di altre fibre, come la fibra di carbonio tradizionale e il Kevlar.

Il reattore F-CVD (deposizione in fase di vapore di elementi chimici catalitici flottanti) utilizzato per il processo necessita unicamente di una fonte di carbonio (toluene), una fonte catalitica (ferrocene) e un promotore a base di zolfo (tiofene), miscelati insieme e inseriti all’interno di un reattore a tubo da 1300°C mediante un gas vettore (idrogeno). A questo punto, si forma una nube flottante di CNT. Estraendola meccanicamente dal reattore a tubo, la nube di CNT si condensa all’interno di una fibra sfusa con microstruttura allineata. Questo processo viene chiamato “filatura del CNT”. La nube di CNT viene estratta in fibra da personale munito di apposite protezioni (filatore).

Tuttavia, è estremamente difficile mantenere il reattore sotto un controllo costante. Le proprietà del materiale CNT variano sensibilmente tra un ciclo e l’altro e il rapporto tra parametri di inserimento nel reattore controllati e non controllati non è ancora del tutto chiaro.

Controllo del reattore a nanotubi di carbonio

L’obiettivo del programma patrocinato da Bronkhorst, è di implementare un solido circuito di retroazione che consenta di controllare le proprietà materiali del CNT. Le variabili di inserimento e di uscita di ciascun reattore, appositamente selezionate in base alle proprietà del CNT, vengono misurate e registrate automaticamente all’interno di un database (condizioni metereologiche, personale operativo, età del tubo, concentrazioni di precursore, flussi di gas, ecc.). Il database viene esaminato alla ricerca di correlazioni, interazioni tra i parametri e modelli di regressione lineare multidimensionali che possano predire statisticamente il comportamento del reattore utilizzando il software di analisi dei dati JMP™.

Figura 1. Modello statistico del rapporto G:D del materiale

Ad esempio, la figura 1 mostra un modello statistico del rapporto G:d del materiale, ossia il rapporto tra la grafite (G) e i difetti grafitici (D) rilevato mediante uno spettroscopio Raman, che indica il grado di perfezione grafitica. Il modello è una funzione dei parametri di inserimento del reattore statisticamente più rilevanti ai fini del rapporto G:D. Sull’asse orizzontale sono indicati i valori G:D previsti del modello, mentre sull’asse verticale sono riportati i valori misurati. Un modello perfetto con un controllo perfetto dovrebbe riportare una linea dritta con un’angolazione di 45 gradi. Ovviamente, i punti dei dati sono sparpagliati lungo la linea rossa, il che indica un livello molto basso di controllo del reattore.

In questo caso, la configurazione prevedeva la semplice miscelazione dei precursori (toluene, ferrocene e tiofene) e l’iniezione della soluzione in un gas vettore a base di idrogeno attraverso una semplice pompa. Era evidente che, per garantire un maggiore controllo del reattore, era necessario un sistema più sofisticato.

La soluzione Bronkhorst per il controllo del reattore a nanotubi di carbonio

La Figura 2 mostra il nostro sistema migliorato. I singoli precursori liquidi vengono ora controllati separatamente grazie agli strumenti Coriolis di Bronkhorst (serie mini CORI-FLOW). I misuratori Coriolis consentono di rilevare portate massiche precise senza dover ricalibrare i vari precursori, facilitando così l’esecuzione di ricette a base di CNT diverse. Bronkhorst è l’unico che sia riuscito ad applicare il principio di alta precisione Coriolis a una scala estremamente limitata mediante l’impiego della tecnologia MEMS.

Il dispositivo è in grado di misurare portate fino a 200 g/h per il toluene e addirittura inferiori a 100 mg/h per il tiofene. I gas vettori a base di idrogeno sono controllati da solidi regolatori del flusso di massa plug-and-play prodotti da Bronkhorst. Infine, i precursori, misurati con assoluta precisione, vengono vaporizzati e combinati ai gas vettori a base di idrogeno grazie alla tecnologia del vaporizzatore.

Figura 2. Schema del reattore a nanotubi di carbonio

Figura 3. Efficienza nettamente maggiore del reattore a deposizione in fase di vapore di elementi chimici

Questo strumento nuovo e più sofisticato consente una realizzazione molto più efficiente dei modelli statistici del reattore a deposizione in fase di vapore di elementi chimici. In questo caso, i valori di perfezione grafitica effettivi e quelli previsti sono decisamente più coerenti, come indicato nella Figura 3. Questo modello contiene sostanzialmente meno rumore, il che significa che la risposta del reattore è prevedibile e ripetibile. Fino ad ora, questo sistema con reattore controllabile e ben modellato ci ha permesso di raddoppiare i livelli di produzione del CNT e di triplicare il grado di cristallinità grafitica.