Gli Ultrasuoni per la Dispersione di Nanotubi di Carbonio

I nanotubi di carbonio sono molto flessibili ma allo stesso tempo estremamente coesi tra loro, pertanto risulta difficile disperderli in liquidi quali acqua, etanolo, olio, polimero o resina epossidica. L'ultrasuono è un metodo efficace per ottenere una discreta dispersione dei – singolo-dispersi – nanotubi di carbonio.

I nanotubi di carbonio (CNT) vengono utilizzati in polimeri, in vernici e negli adesivi oppure come conduttori di cariche elettriche nella plastica con lo scopo di dissipare le cariche elettrostatiche in apparecchiature elettriche e nei pannelli della carrozzeria delle automobili elettrostaticamente verniciabili. Tramite l’implementazione dei nanotubi, i polimeri possono essere resi più resistenti alle temperature, ai prodotti chimici, alle sostanze corrosive, alle pressioni estreme e alle abrasioni. Ci sono due categorie di nanotubi di carbonio: i nanotubi a parete singola (SWNT) e nanotubi a multi-pareti (MWNT).

I nanotubi di carbonio sono generalmente disponibili sotto forma di materiale secco, prodotti ad esempio da aziende come la Ricerca di SES o CNT Co., Ltd. È necessario un processo di deagglomerazione semplice, affidabile e scalabile, al fine di utilizzare i nanotubi al loro massimo potenziale. Per liquidi fino a 100.000cP gli ultrasuoni sono una tecnologia molto efficace per la dispersione di nanotubi in acqua, olio o polimeri a basse o alte concentrazioni. I flussi di getto liquido derivanti da Cavitazione ad ultrasuoni, si generano forze di taglio in grado di rompere il legame tra i nanotubi e separare i tubi.

Generalmente, una prima dispersione abbastanza grossolana dei nanotubi è attuata da un agitatore standard, successivamente questi vengono omogeneizzati nella cella di flusso ad ultrasuoni per completare il processo di disgregazione. Guarda il video (Clicca sull'immagine per iniziare!). Il video dimostra un laboratorio di prova (sonicazione con UP400S) disperdendo multiparete carbonnanotubes in acqua a bassa concentrazione. A causa della natura chimica del carbonio, la dispersione dei nanotubi in acqua è piuttosto difficile, ma grazie agli ultrasuoni questo processo risulta molto più semplice e anche i risultati ottenuti sono decisamente migliori. Come mostrato nel video, può essere facilmente dimostrato che ultrasuoni disperde nanotubi efficacemente.

Dispersione di singoli SWNTs di alta lunghezza

Un problema importante per la lavorazione e la manipolazione di SWNT è l'insolubilità intrinseca dei tubi nei comuni solventi organici e nell'acqua. Funzionalizzazione della parete laterale nanotubo o estremità aperte per creare un'interfaccia appropriata tra il SWNTs e il solvente portano per lo più a esfoliazione parziale delle corde SWNT, solo.
Di conseguenza, gli SWNT sono tipicamente dispersi come fasci piuttosto che come singoli oggetti completamente isolati. Quando si utilizzano condizioni troppo severe durante la dispersione, gli SWNT vengono accorciati a lunghezze comprese tra 80 e 200 nm. Anche se questo è utile per alcuni test, questa lunghezza è troppo piccola per la maggior parte delle applicazioni pratiche, come i semiconduttori o gli SWNT di rinforzo. Trattamento a ultrasuoni controllato e delicato (ad esempio mediante UP200Ht con sonotrodo da 40mm) è una procedura efficace per preparare dispersioni acquose di SWNTs individuali lunghe. Le sequenze di ultrasuoni lievi riducono al minimo l'accorciamento e consentono di preservare al massimo le proprietà strutturali ed elettroniche.

Purificazione di SWNT mediante ultrasonicazione assistita da polimeri

immagine: Koshio 2001

È difficile studiare la modificazione chimica degli SWNT a livello molecolare, perché è difficile ottenere SWNT puri. Le SWNT coltivate contengono molte impurità, come particelle metalliche e carboni amorfi. L'ultrasonicazione degli SWNT in una soluzione monoclorobenzene (MCB) di PMMA poli(metacrilato di metile) seguita da filtrazione è un modo efficace per purificare gli SWNT. Questo metodo di purificazione assistito da polimeri permette di rimuovere efficacemente le impurità dalle SWNT coltivate. (Yudasaka et al.) L'accurato controllo dell'ampiezza dell'ultrasuoni permette di limitare i danni agli SWNT.

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Letteratura

Koshio, A., Yudasaka, M., Zhang, M., Iijima, S. (2001): Un modo semplice per reagire chimicamente ai nanotubi di Crabon a parete singola con materiali organici usando l'ultrasonicazione; in Nano Letters, Vol. 1, No. 7, 2001, p. 361-363.

Yudasaka, M.; Zhang, M.; Jabs, C.; Iijima, S. (2000): Appl. Phys. A 2000, 71, 449.

Paredes, J. I. I., Burghard, M. (2004): Dispersioni di singoli nanotubi di carbonio a parete singola di alta lunghezza, in: Langmuir, Vol. 20, No. 12, 2004, 5149-5152, American Chemical Society.