Nanostrutture e materiali nanostrutturati: come e perchè

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1 Nanostruttur matriali nanostrutturati: com prchè In manira piuttosto provocatoria si potrbb iniziar qusto studio sottolinando ch oggi viviamo in una spci di nano mania. In fftti, qualunqu cosa sia pr qualch ragion dscrivibil nlla class nano oggi suscita un norm intrss, qusto (smpr provocatoriamnt) anch in molti casi ch si rivlano poi dll vr propri bufal! Tuttavia, siccom la nano-mania in cui viviamo è piuttosto divrsa dalla mania di collzionar Didls, d anzi è dovuta all norm impatto ch l nanotcnologi hanno d avranno nlla nostra vita quotidiana, appar opportuno ddicar alcun lzioni agli asptti torici pratici più importanti connssi con il nano-mondo. Val la pna di citar ch già nl 1961 Fynman avva nunciato il suo famoso dtto thr s plnty of room at th bottom, il ch in qualch modo lascia capir l potnzialità di qusta scinza. Inoltr ossrviamo ch l nanotcnologi dvono, pr forza di cos, includr non solo l tcnich ncssari a ralizzar l nanostruttur o a nanostrutturar i matriali, ma anch tutti qui mtodi di indagin ch n consntono la carattrizzazion. Qust ultima può ssr condotta con mtodi classici ch vidnziranno il comportamnto macroscopico d insim, ma, ovviamnt, è di grand intrss lo studio dl comportamnto dlla singola nanostruttura; ciò può ssr ottnuto solo sviluppando tcnich di indagini adguat. Infatti ngli ultimi 15 anni sono stat sviluppat normmnt divrs tcnich di indagini, tutt più o mno lgat o basat su tcnich di microscopia a sonda, ch consntono di studiar singol nanoparticll o al più piccoli gruppi di particll nanomtrich. In altr parol insim all nanotcnologi sistono l nanospttroscopi, la nanofotonica la nanolttronica così via. Pr prima cosa è ncssario dar una dfinizion di nano. In qusto snso possiamo cominciar col dar una dfinizion di nano-fotonica. In qusto caso l intrazion fra luc matria avvin su dimnsioni molto più piccol dlla lunghzza d onda dlla luc, quindi fftti di confinamnto quantistico pr la luc si mttono in vidnza già con struttur di qualch cntinaio di nanomtri. Nl caso di un lttron (la cui lunghzza d onda quivalnt è dcisamnt più piccola di qulla di fotoni ottici, la dimnsion dlla struttura ncssaria a produrr un vidnt fftto di confinamnto divin dll ordin di qualch nanomtro. Con qusta prmssa possiamo concludr ch una nanostruttura è una struttura la cui dimnsion è crtamnt minor di 100 nm mntr un matrial nanostrutturato contin sottostruttur con qusta dimnsionalità.

2 Opportunità di impigo???? Chimici d Inggnri chimici: Nuovi mtodi di sintsi di procssing di nanomatriali. Nuovi tipi di nanostruttur molcolari d assmbly supramolcolari. Nanostruttur Slf Assmbld priodich o apriodich (fftti cooprativi). Chimica dll suprfici. *****

3 Fisici: Elttrodinamica quantistica applicata allo studio di nanocavità Quantum information procssing. Procssi ottici non linari Controllo dll intrazioni fra lttroni fotoni fononi Etc. Inggnri di matriali Nanolitografia Cristalli fotonici Quantum dot quantum wir lasrs Etc. C è molto lavoro anch è pr gli altri!!! Biologi mdici: Manipolazion gntica Matriali fotonici bio-ispirati Nuov nanosond pr diagnostica Nanoproittili intllignti pr la vicolazion di farmaci.

4 Matriali quanto confinati Un smpio molto smplic ma strmamnt istruttivo di nanostruttura è costituito dall lttron chiuso nlla scatola. Com è noto, qusta struttura produc molti fftti ottici ch possono trovar divrs applicazioni tcnologich. Una situazion com qulla dll lttron nlla scatola si può ottnr in divrs manir, ad smpio si pnsi ad una molcola organica in cui gli lttroni p sono dlocalizzati; una molcola così strutturata, rapprsnta da sola un sistma in cui gli lttroni sono confinati. Altri smpi piuttosto smplici sono l trostruttur, in cui si produc artificialmnt un confinamnto lttronico altrnando matriali con gap divrso. S qusta struttura è planar si ottin una buca quantica (quantum wll), s con una adguata tcnologia, si produc una struttura ch produc un confinamnto bidimnsional, si parla di fili quantici (quantum wir), s, infin, si produc un confinamnto tridimnsional (com nl caso dll lttron nlla scatola), allora si parla di punti quantici (quantum dots). Esistono altr struttur ch pr l loro carattristich sono anch piuttosto affascinanti, ad smpio ripigando un quantum wir si può ralizzar un anllo quantico, oppur è possibil ralizzar una supr struttura ordinata di buch quantich (multipl quantum wlls) o di punti quantici (supr rticolo).

5 Dnsità dgli stati tridimnsional Un po di toria Cominciamo a dscrivr la funzion dnsità dgli stati tridimnsional N() com si studia nl caso di un smiconduttor classico. In qusto caso N()d rapprsnta il numro di stati disponibili nll intrvallo di nrgia comprso fra d +d. Considriamo una rgion cubica dl cristallo di lato L, d imponiamo La condizion al contorno ch la funzion d onda lttronica sia nulla sull suprfici dl cubo cioè quando x,u,z prndono i valori 0 d L. Con qust prmss, una funzion d onda adguata a dscrivr il problma assum la forma: Usando l condizioni al contorno si ottin: k r Ukrsin k xsin k ysin k z k k k x y z L L L x pn 1 pn pn 3 y z (n 1,n,n 3 sono intri) Quanto sopra implica ch ogni valor di k con coordinat k x,k y,k z, occupa nllo spazio k un volum pari a (p/l) 3, cioè la dnsità di punti prmssi nllo spazio k è V/(p) 3

6 Il volum dllo spazio k individuato dai vttori k k+dk è una calotta sfrica val 4pk dk, quindi il numro total di stati contnuto nlla calotta sfrica è: 3 4 p p dk Vk dn Ovvro, considrando lo spin: 3 8 p p dk Vk dn Considrando un solido cristallino d un lttron in banda di conduzion,è possibil individuar un lgam fra k d : * * c c m k m k Diffrnziando qust ultima si trova : * d m kdk Quindi, sostitundo si ottin: 1 * * * c c m d m m V dk Vk dn p p p p p d m M d N c c 3 *

7 S la lunghzza d onda di d Brogli associata all lttron nl solido (00/400 A) è molto più piccola dll dimnsioni dl solido, la dnsità dgli stati è proprio qulla ora calcolata quindi ssa è proporzional al quadrato dll nrgia. Ch succd s la dimnsion dl solido divnta comparabil con la lunghzza d onda di d Brogli?? Gli fftti quantistici dovuti al confinamnto divngono importanti modificano in manira anch molto psant l proprità lttronich dl matrial. Un smpio tipico in cui si ralizza qusta condizion è la buca quantica ralizzata usando uno strato sottil di un smiconduttor insrito fra du strati smi infiniti di un altro smiconduttor con gap più piccolo dl primo. (quantum wll)

8 Ricordando il caso dlla particlla in una scatola è facil intuir ch, nlla dirzion z in cui avvin il confinamnto quantistico, sono prmss solo l nrgi ch soddisfano alla rlazion: l p l * m Lz l=1,,3,. Misurando l nrgia dalla banda di conduzion d avndo indicato con L z lo spssor dl pozzo. Val la pna di sottolinar ch analogo comportamnto ha una lacuna in banda di valnza. Nlla dirzion parallla all intrfaccia fra i matriali, cioè lungo il piano xy gli lttroni si comportano com s si trovassro in un smiconduttor classico. In altri trmini l nrgia ch compt alla particlla divin: l m * k x k y

9 Calcolo dlla dnsità dgli stati di una quantum wll. Il calcolo dlla dnsità dgli stati procd in modo analogo a quanto fatto nl caso dl cristallo bulk, salvo ch stavolta si dv dtrminar il numro di modi comprso fra k k+dk tnndo k z =p/l z costant. Quanto sopra implica ch nl piano k x -k y il numro di modi può ssr trattato com una variabil continua. Com nl caso prcdnt la dnsità di punti prmssa nllo spazio k è L x L y L z /(p) 3. Il volum dllo spazio k comprso fra k k+dk in qusto caso è: pk dk p L z Avndo indicato con k il vttor d onda nl piano k x -k y Ricordiamo inoltr ch : k k L z p Considrando lo spin, il numro total di stati fra k k+dk è: dn Cioè smplificando: x y z p Lz L L L 1 kdk k dk p kdk dn LxLyL p z 3 pkdk p Lz

10 Dalla rlazion di disprsion in qusto caso si ricava : * l m k l=1,,3. Quindi, pr i valori di > l, la dnsità dgli stati in un intrvallo di nrgia d divin: p d L m d N z * Quindi ognuna dll band bidimnsionali produc una dnsità dgli stati indipndnt da, cioè si ottin nlla dirzion z un andamnto a gradini. Quando si risc a produrr un fftto di confinamnto in du dirzioni, si parla di fili quantici o quantum wirs. In qusto caso valgono tutti i ragionamnti già visti, ma stavolta : z y x L L k k p p

11 Nanotubi di carbonio I nanotubi in carbonio sono un smpio rcnt di nanotcnologia. Si ralizzano assmblando atomi di carbonio in forma di piccoli, o mglio microscopici, cilindri. Il diamtro va dagli 0,4 agli 1,8 nanomtri possono arrivar a divrsi microns di lunghzza, a sconda di procssi di costruzion. Possono trasportar una dnsità di corrnt mill volt suprior a qulla di circuiti in ram, sono circa 10 volt mno soggtti alla dissipazion trmica. In fftti il carbonio rcntmnt è stato uno di primi attori di molt ricrch ch si rivolgono all nanotcnologi. Ngli anni 80 furono ossrvat l prim molcol di fullrn (C60, ), all inizio anni 90 il fullrn vnn sinttizzato in laboratorio con un buon grado di fficinza riproducibilità. (Nobl 96). Alla fin dgli anni 90 si sono visti i primi smpi di produzion di nanotubi di carbonio con forti motivazioni tcnologich. Attualmnt i nanotubi di carbonio vngono utilizzati in divrs applicazioni commrciali, ad smpio vngono utilizzati pr produrr polimri conduttori, matriali compositi, fibr, display tc. Quanto sopra implica il loro utilizzo nl campo dll automotiv, nl sttor dll tlcomunicazioni, dll industria arospazial, nl sttor dlla mdicina prfino nlla ralizzazion di matriali pr lo sport. Un applicazion di grand intrss oggi riguarda l industria lttronica ch ha trovato ni nanotubi di carbonio una possibil ancora di salvataggio pr la lgg di Moor.

12 Struttura proprità di nanotubi di carbonio Un nanotubo di carbonio può ssr pnsato com un fullrn cilindrico, ossrvando la figura sotto riportata sarà facil comprndr il mccanismo con cui si forma un nanotubo. Evidntmnt sono possibili du struttur ch si ottngono arrotolando il grafn su un ass con un angolo chiral di 0 di 30 gradi. Usualmnt l struttur ch si ottngono sono aprt all strmità (vri propri tubi), qusto prché la particlla ch produc la catalisi solitamnt è proprio in cima ad una dll strmità. E possibil ottnr nanotubi con strmità chiusa, ciò richid l inclusion di un anllo a 5 lmnti du a 6 lmnti nlla struttura. Il foglio di grafn arrotolato può ssr dscritto da un vttor chiral C ch conntt du siti cristallograficamnt quivalnti d è sprsso dalla somma di du vttori uniari a 1 d a in modo ch C=na 1 +ma. I valori d n d m dtrminano il diamtro D l angolo chiral dl tubo.

13 Clla unitaria dscritta da: Vttor chiral C h = na 1 + ma (n, m) n,m Z Vttor di traslazion T = t 1 a 1 + t a t 1, t Z a 1 a a 1 a T C h Zigzag (n, 0) tub C h // a 1 (or a ) Armchair (n, n) tub Chiral (n, m) tub 1 3 D d p cc arctan g 3 n 1 m nm n m n m Proprità gomtrich CNT compltamnt dtrminat da vttor chiral di traslazion (cioè da numri (n, m)) Diamtro NT: d NT (m +n +nm)

14 L proprità lttrich spttroscopich ossrvat ni nanotubi di carbonio dipndono da n d m ovvro dal diamtro dall angolo chiral dl nanotubo. La forma rgolar ( quindi l proprità) dl nanotubo dipnd molto dalla purzza dlla struttura. In altri trmini, com l introduzion di impurzz nll anllo può produrr la chiusura dl tubo così può dar luogo a tubi dformi. Ad smpio s si introduc un anllo con 7 atomi si ottin, almno toricamnt, una struttura divrgnt, anch s struttur di qusto tipo non sono ancora stat ossrvat sprimntalmnt. Una ultrior diffrnziazion puo ssr fatta fra i nanotubi a singola part (SWCNT) qulli a part multipla (MWCNT). Pr quanto la classificazion possa apparir trivial, la possibilità di distingur diffrnziar l du tipologi di nanotubi è piuttosto important prché l carattristich fisich sono piuttosto divrs. Un SWCNT ha dimnsioni ch possono andar da 0, 4 a 5 nm mntr un MWCNT tipicamnt ha diamtri da 1,5 a 100nm d oltr. I MWCNT non sono stati particolarmnt studiati prché molto più complssi: ogni foglio ch compon un MWCNT può avr diamtro chiralità divrsi quindi proprità divrs, pr di più intragisc con il foglio ch lo copr o qullo da sso coprto. La possibilità di ottnr l una o l altra spci dipnd in massima part dal procsso di fabbricazion.

15 La Fabbricazion di NT CNT richidono procsso di fabbricazion violnto (alt T, P, quantità di matrial) Mtodi di dposizion più comuni: Lasr Ablation --> SWCNT con diamtro controllato Scarica ad arco (com fullrni) --> grandi quantità, scarso controllo PE-CVD da C x H x --> grand fficinza soprattutto pr MWCNT Up to 900 C hatd stag C H /NH 3 up to 00sccm S Purtzky, Gohgan, Appl. Phys. A (000)

16 Gnralmnt la produzion di MWCNT è più smplic ch non la produzion dl SWCNT. Nl caso di SWCNT di solito si utilizza un catalizzator qusto conduc alla formazion di nanotubi aprti all strmità. I procssi di catalisi ch i possono usar sono molti molto vari. S si disprdono nanoparticll di frro su una suprfici poi si spon qust ultima ad una sorgnt di carbon a 900 gradi in atmosfra riducnt, i nanotubi crscono dalla suprfici con una piccola particlla mtallica in cima. Qusta particlla può ssr poi rimossa con un bagno in HCl pr ottnr un nanotubo aprto.

17 In lttratura, si trovano moltissimi smpi mtodi di crscita ch conducono a prodotti più o mno puri. è molto intrssant trovar mtodi di crscita ch producono array ordinati di nanotubi. Ad smpio è possibil ottnr un tappto ordinato di nanotubi con dnsità dll ordin di /cm usando una maschra di alluminio anodizzato. Tutti i mtodi producono nanotubi con carattristich pculiari in molti casi sono ormai adottati dall catn di produzion di divrs compagni ch producono vndono matriali

18 Catalisi fabbricazion di nanoparticls Procsso di crscita catalitico (Ni or Co nanoparticls) è ncssario produrr nanoparticll di catalizzator Durant il rpocsso di annaling/tching il film mtallico forma nano-gocc Il carbon si dissolv nl catalizzator a forma una soluzion solida Dopo la saturazion dlla soluzion il carbon prcipitata comincia la crscita dl nanotubo Stp 1: At 700 C (growth tmp), Ni film sintrs into catalyst nanoparticls. Stp : PECVD - C H is th growth gas for CNTs, NH 3 is th tching gas for unwantd a-c.

19 Efftti dl catalizzator

20 Uno di problmi più sri ch affliggono la produzion di nanotubi di carbonio consist nlla loro purificazion. Buona part di procssi di produzion sono di origin chimica quindi implicitamnt producono una grossa quantità di diftti strutturali. Il problma dlla purzza di nanotubi assum una importanza rilvant soprattutto nl caso in cui si voglia ralizzar un dispositivo, invc è mno rilvant s il matrial vin utilizzato, ad smpio, pr la ralizzazion di un composito. Uno di mtodi più smplici pr la purificazion consist nl portar ad alta tmpratura i nanotubi. Ad smpio, scaldando il matrial a qualch cntinaio di gradi, vin facilmnt rimosso il carbonio in forma amorfa mntr i nanotubi sono stabili quindi s n ottin la purificazion. La pulizia spsso vin sguita anch pr via chimica con l uso di solvnti o acidi ch rimuovono matriali organici o inorganici. Nl caso di nanotubi ottnuti attravrso un procsso di catalisi può ssr molto util la loro purificazion dal mtallo ch dà luogo a tubi aprti. In tal caso si procd prima con un bagno in HCl poi con un annaling a tmpratura modrata. è ovvio ch il lavaggio può produrr fftti dltri sulla disponibilità suprficial dl matrial. Infatti una dll carattristich principali di nanotubi di carbonio consist proprio nll norm suprfici pr grammo (circa 3000 m /g). Si dv ossrvar prò ch una suprfici così grand non è mai stata trovata in alcun campion di nanotubi, ciò farbb pnsar ch pr una qualch ragion (ch potrbb ssr lgata alla purificazion /o al procsso di produzion ) una part dgli atomi suprficiali non è disponibil. Ni casi migliori si sono dtrminat suprfici/grammo dll ordin di 1500m /g.

21 Emission di campo (Fild Emission) L mission di lttroni dovuta alla prsnza di alti campi lttrostatici è un fnomno noto sin dagli ultimi anni dl XIX scolo. La sua corrtta intrprtazion, prò, fu possibil solo dopo lo sviluppo dlla toria di quanti si dv ai fisici Fowlr Nordhim, ch laborarono la toria dll mission di campo nl 198. La toria intrprta l mission com un caso particolar di fftto tunnl. Il paramtro più important pr carattrizzar tal mission è snza dubbio il cosiddtto campo di soglia ch rapprsnta il minimo campo lttrico ncssario pr attivar l mission. Un matrial fficint avrà un campo di soglia più basso, volndo ralizzar un dispositivo, ovviamnt un campo di soglia più basso significa minor nrgia dissipata.

22 Pr qusti studi, oltr alla prcision nlla misura dll corrnti mss, ch usualmnt sono molto dboli (mno di un miliardsimo di Ampr), è di grand importanza anch valutar con prcision la distanza tra il catodo mttitor l anodo raccoglitor. Grazi alla tcnologia sviluppata pr i microscopi ad fftto tunnl, sono stati ralizzati sistmi di carattrizzazion ad fftto di campo ch consntono di misurar con la prcision di alcun dcin di nanomtri la distanza anodo-catodo, ralizzando una miglior qualità nlla carattrizzazion di oggtti piccoli com i nanotubi. L intnsità dlla corrnt mssa nl fnomno dlla mission di campo dipnd ovviamnt scondo il modllo di Fowlr-Nordhim dal gradint di campo applicato. Attualmnt il fnomno dll mission di campo è molto studiato dai gruppi di ricrca lgati all industri, già sono stati prodotti dispositivi a nanotubi in condizioni di fild mission, quali schrmi tlvisivi, lampad sorgnti a raggi X.

23 Spttroscopia Raman La spttroscopia Raman è un procsso di intrazion radiazion-matria ch dà informazioni sull proprità vibrazionali, quindi chimico-fisico-strutturali, dl campion invstigato. L mission Stoks consist nll assorbimnto di un foton ad una dtrminata nrgia, sguito dall mission di un foton ad nrgia minor di un fonon (o quanto vibrazional). Altrnativamnt (mission anti-stoks) il foton di ccitazion può accoppiarsi con un fonon dando luogo all mission di un foton ad nrgia maggior. In ntrambi i casi la misura dllo shift in nrgia tra il foton di ccitazion qullo msso fornisc una misura di livlli vibrazionali quindi dll proprità dl rticolo cristallino. La spttroscopia Raman è stata largamnt impigata pr la carattrizzazion non invasiva d il monitoraggio di procssi di sintsi di purificazion di nanotubi di carbonio (CNT), sin dalla loro prima ossrvazion, nl 1991, sotto forma di multi walld (MW), nl 1993 com singl walld (SW). I nanotubi di carbonio sono infatti carattrizzati da un lvatissima szion d urto Raman. Gli spttri Raman di nanotubi di carbonio sono snsibili al diamtro dl nanotubo (radial brathing mod), all proprità lttronich di simmtria (banda G), d alla prsnza di diftti (band D G ). In particolar, la posizion nllo spttro Raman dl radial brathing mod risulta univocamnt lgata al diamtro dl nanotubo dalla rlazion: fs = A+ B / d NT dov fs (frquncy shift) rapprsnta lo shift Raman, A B sono costanti not d NT è il diamtro dl nanotubo.

24 La figura 7 mostra lo spttro Raman di un campion di nanotubi ottnuto utilizzando divrs lunghzz d onda dl lasr ad argon (blu: 4880 A, vrd: 5145 A). Livlli nrgtici La prsnza di almno tr picchi (spttro blu) dnuncia la prsnza di altrttanti diamtri di nanotubi prsnti nl campion. L diffrnz ossrvat variando la lunghzza d onda di ccitazion sono riconducibili ad fftti di risonanza con i livlli lttronici di nanotubi mostrano chiaramnt il vantaggio di potr utilizzar divrs radiazioni ccitatrici. Pr qusta loro particolarità, il diamtro di nanotubi si può misurar dallo spttro Raman. Vari sprimnti hanno mostrato com i nanotubi smiconduttori mostrino intrssantissim proprità di fluorscnza [Bibliografia] nlla rgion dl vicino infrarosso (da ~ 1 a ~ 1.5 mm) lgat all loro proprità lttronich, un fatto ch potrbb rivlarsi molto util nll applicazioni biomdich fisich. I nanotubi dl tipo n-m=3p con p intro positivo o nullo sono conduttori mtallici, quindi con gap fondamntal 0.0 V. Tutti gli altri sono smiconduttori la cui gap è funzion dl diamtro, d è approssimata dalla funzion: E gap =y 0 acc/d, dov y 0 =0.1 V, acc=0.14 nm d è il diamtro. Qusto implica ch il gap fondamntal varia da 0.4 a 0.7 V.

25 Matrials Proprty Attributs Potntial Applications Polymr/SWNT Composits Strngth (37 GPa) Structural Composits Bi-Componnt Fibrs Stiffnss (640 GPa) Functional Txtils Hollow Fibrs Bulk Composits SWNT Films and Fibrs SWNT Coatings Carbon/SWNT Composits Light Wight (dnsity 1.30 g/cm^3) Elctrical Conductivity (10^6 S/m) Thrmal Conductivity (000 W/m/K) Spcific Surfacd Ara (1350 m^/g) Anisotropic Optical Proprtis Bio-compatibility Enrgy-storag Capacitors Ful Cll Elctrods Elctrically Conducting Coatings Actuators, Artificial Tissu Hat Dissipation/Thrmal Managmnt

26 Proprità lttronich I nanotubi possono ssr visti com dll giganti molcol coniugat filiformi con una lunghzza di coniugazion ugual alla lunghzza dl tubo. Pr comprndrn la struttura lttronica è bn cominciar con lo studio dl grafn, cioè dl singolo foglio di grafit. Il carbonio ha 4 lttroni di valnza di cui tr sono fortmnt lgati con gli atomi vicini danno luogo ad una struttura planar la cui rigidità sul piano è vramnt notvol. I quattro lttroni sono ovviamnt dlocalizzati danno luogo ad una conducibilità lttronica, tuttavia a causa dlla sua particolar struttura, da un punto di vista lttronico, il grafn può ssr considrato a mtà strada fra un mtallo d un smiconduttor, pr qusto vin classificato com un smimtallo o un smiconduttor a zro-gap. Qusta pculiarità rnd gli stati lttronici strmamnt snsibili all condizioni al contorno, com ad smpio qull ch si ottngono in un SWCNT. In qusto sistma si possono sostnr solo ond lttronich stazionari la cui lunghzza d onda sia un sottomultiplo dlla circonfrnza dl tubo. In tal modo vngono rimoss l carattristich di trasporto dl grafn ch, quando vin ripigato a formar il nanotubo si comporta da smiconduttor o da conduttor a sconda di com vin arrotolato il foglitto, l proprità lttronich, in altr parol, dipndranno dall licità dl tubo. In un MWCNT la situazion è ovviamnt molto più complssa prché divngono importanti l intrazioni fra foglitti adiacnti, in ogni caso è chiaro ch l licità dlla struttura è una carattristica molto important ch può ssr inggnrizzata, cosa ch rnd l argomnto nanotubi strmamnt affascinant. In qusto momnto, tuttavia, il controllo sull licità di nanotubi non è possibil, quindi ogni nanotubo ha una sua proprità lttronica. E ovvio ch l proprità lttronich di un conduttor monodimnsional sono comunqu di grand intrss, infatti in un sistma di qusto tipo è possibil prdir intrazioni coulombian com qull di un gas lttronico fortmnt corrlato (liquido di Luttingr) invc ch un comportamnto da gas di Frmi (particll poco intragnti) tipico di mtalli. In qusto momnto i risultati sprimntali sono piuttosto controvrsi non è chiaro qual sia il comportamnto vro ch ci si dv aspttar da un SWCNT.

27 Un nanotubo prftto, i cui lttroni sono compltamnt scorrlati, si dovrbb comportar com un conduttor balistico: s un lttron vin inittato da un contatto idal in un filo balistico s il filo ha un altro contatto idal, l lttron inittato uscirà dal scondo contatto. Qusto comportamnto implica ch non ci sono fnomni di backscattring nl filo. S si studia un tubo balistico la toria prdic l sistnza di du automodi indipndnti, quindi la conduttanza sarà sattamnt il doppio. Si ossrvi ch la rsistnza non è nulla, com nl caso di un suprconduttor, ma ssa è indipndnt dalla lunghzza dl tubo, in contrasto con la lgg di Ohm. In lttratura si trovano alcuni smpi ch suggriscono un comportamnto balistico anch pr i MWCNT. Ad smpio a sinistra si vd un tipico smpio ch vidnzia un comportamnto balistico. In qusto caso il controlttrodo è un film di mrcurio liquido, si ossrva ch immrgndo i nanotubi nl liquido si ottngono di platau nlla conduttanza dl sistma ch quindi è balistica, cioè indipndnt dalla lunghzza dl nanotubo immrso.

28 Un altro sprimnto simil si può ralizzar utilizzando una struttura mtallica litografata ch supporta un nanotubo. Nl caso in figura si tratta di un MWCNT. La conducibilità misurata può ssr pnsata com qulla di un SWCNT poiché il flusso lttronico in qusto caso dovrbb intrssar solo lo strato strno, mntr gli strati intrni migliorano la rigidità mccanica, aumntando il diamtro complssivo, cioè l ara di contatto, garantiscono anch un miglioramnto dl contatto lttrico. Un sprimnto di qusto tipo, tipicamnt, conduc a comportamnti diffusivi piuttosto ch balistici. E ovvio ch qusta incrtzza sui risultati potrbb gnrar confusioni, in fftti si dovrbb sottolinar ch sprimnti di qusto tipo sono piuttosto difficili da controllar ch i du sprimnti inittano l carich in modo divrso.

29 Proprità lastich A causa dlla struttura chimica di nanotubi ricordando ch la grafit ha uno di moduli di lasticità più grandi di quanto ad oggi conosciuto, c è da aspttarsi ch un nanotubo si comporti mglio dlla grafit. Un mtodo rlativamnt smplic pr misurar l proprità mccanich di nanotubi consist nl dpositarli su una suprfici pulita di allumina a partir da una sospnsion in un liquido adatto dopo filtrazion da una mmbrana con pori di dimnsion di qualch cntinaio di nanomtri. In figura si vd com l uso di un microscopio a forza atomica una buona dos di fortuna consnt la carattrizzazion mccanica dl matrial, in particolar, dopo avr localizzato un nanotubo ch fortunosamnt si trova sospso sopra un poro dll allumina, si procd a misur di forza. La dflssion misurata è invrsamnt proporzional al modulo di Young. Pr nanotubi prodotti con scarica ad argon si è trovato ch il modulo di Young è circa 0,8TPa ma nl caso di nanotubi crsciuti con mtodi catalitici il modulo di Young è più piccolo anch di du ordini di grandzza. Qusti risultati indicano chiaramnt ch la qualità dl procsso di crscita si riprcuot in modo anch important sulla qualità di nanotubi prodotti (diftti!).

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