https://it.wikipedia.org/wiki/Nanotubo_di_carbonio
Originale
Deposizione chimica da vapore (CVD)
Questa tecnica è stata descritta per la prima volta nel 1952 e utilizzata una seconda volta nel 1959. Ma è stato solo nel 1993 che si è potuti ottenere nanotubi di carbonio a partire da questa tecnica. Nel 2007 ricercatori dell'Università di Cincinnati svilupparono un processo per far crescere matrici di nanotubi di carbonio su un sistema di crescita FirstNano ET3000 con una lunghezza di 18 mm.
Durante il CVD, un substrato viene preparato con uno strato di particelle di catalizzatore di metallo, più comunemente nichel, cobalto, ferro, o una combinazione. Le nanoparticelle metalliche possono essere prodotte anche da altri modi, tra cui la riduzione di ossidi o da ossidi di soluzioni solide. I diametri dei nanotubi che si intende coltivare sono legati alla dimensione delle particelle metalliche. Ciò può essere controllato (o mascherato) dal modello di deposizione del metallo, ricottura, o mediante incisione al plasma di uno strato di metallo.
Il substrato viene riscaldato a circa 700 °C. Per avviare la crescita di nanotubi, due gas vengono iniettati nel reattore: un gas di processo (come ammoniaca, azoto o idrogeno) e un gas contenente carbonio (ad esempio acetilene, etilene, etanolo o metano). I nanotubi crescono nei siti del catalizzatore metallico, il gas contenente carbonio si frammenta lontano dalla superficie della particella di catalizzatore, ed il carbonio viene trasportato ai bordi della particella, dove forma nanotubi. Questo meccanismo è ancora allo studio dei ricercatori.
Durante il processo di crescita, le particelle di catalizzatore possono alloggiare alle punte del nanotubo crescente, o rimanerne alla base, a seconda della adesione tra la particella di catalizzatore ed il substrato. La decomposizione termica catalitica di idrocarburi è diventata un'area attiva di ricerca e può essere un percorso promettente per la produzione di massa di CNT. Reattore a letto fluido è il reattore più utilizzato per la preparazione CNT. Lo Scale-up (produzione su vasta scala) del reattore è la principale sfida attuale.
CVD è un metodo comune per la produzione commerciale di nanotubi di carbonio. A questo scopo, le nanoparticelle metalliche sono mescolate con un supporto catalizzatore come MgO o Al2O3 per aumentare la superficie per una maggiore resa della reazione catalitica del carbonio con le particelle metalliche. Un problema in questa via di sintesi è la rimozione del supporto catalitico mediante un trattamento acido, che a volte potrebbe distruggere la struttura originale dei nanotubi di carbonio. Tuttavia, supporti catalitici alternativi che sono solubili in acqua sono dimostrati efficaci per la crescita di nanotubi.
Se il plasma viene generato dall'applicazione di un forte campo elettrico durante il processo di crescita (plasma enhanced chemical vapor deposition), allora la crescita del nanotubo seguirà la direzione del campo elettrico. Regolando la geometria del reattore è possibile sintetizzare nanotubi di carbonio allineati verticalmente (cioè, perpendicolare al substrato), una morfologia che è stata di interesse per ricercatori interessati nella emissione di elettroni da nanotubi. Senza il plasma, i nanotubi risultanti sono spesso orientati casualmente. In determinate condizioni di reazione, tra cui anche in assenza di un plasma, nanotubi ravvicinati manterranno una direzione risultante di crescita in verticale, realizzando una fitta serie di tubi paragonati dagli scienziati ad un tappeto o una foresta.
Tra i vari metodi per la sintesi di nanotubi, CVD è il più promettente per la produzione su scala industriale, a causa del suo rapporto prezzo / unità, e perché CVD è in grado di produrre nanotubi direttamente su un substrato desiderato, mentre i nanotubi in altre tecniche di crescita devono essere raccolt . I siti di crescita sono controllabili da un'attenta deposizione del catalizzatore.
Nel 2007, un team dell'Università di Meijo ha dimostrato una tecnica CVD ad alta efficienza per la coltivazione di nanotubi di carbonio da canfora. I ricercatori della Rice University, fino a poco tempo guidati dal compianto Richard Smalley, si sono concentrati per trovare metodi per la produzione di grandi quantità di particolari tipi di nanotubi. Il loro approccio consiste nel far crescere lunghe fibre da molti piccolissimi rami di nanotubo tagliati da un singolo nanotubo originale. Tutte le fibre risultanti sono risultate essere dello stesso diametro del nanotubo originale e dovrebbero essere anche dello stesso tipo del nanotubo originale.
Translation
Chemical vapor deposition (CVD)
This method was first used in 1952 and again in 1959, but it wasn't until 1993 that carbon nanotubes could be made with this technique. In 2007 researchers at the University of Cincinnati developed a process to grow carbon nanotubes matrices 18mm long on a FirstNano ET3000 growth system.
During CVD, a substrate is prepared with a layer of metal catalyst particles, most commonly nickel, cobalt, iron, or a combination of them. Metal nanoparticles can also be produced by other means, including oxides reduction or from solid solutions oxides. The diameter of the nanotubes to be grown is related to the size of the metal particles. This can be controlled (or masked) by the metal deposition model, annealing, or plasma engraving of a metal layer.
The substrate is heated to about 700 °C. To start the growth of nanotubes, two gases are injected into the reactor: a process gas (such as ammonia, nitrogen, or hydrogen) and a carbon-containing gas (such as acetylene, ethylene, ethanol, or methane). The nanotubes grow on the sites of the metal catalyst. The carbon-containing gas is decomposed far from the surface of the catalyst particle, and the carbon is transported to the edges of the particle, where it forms the nanotubes. This mechanism is still being looked into by scientists.
During the growth process, the catalyst particles may be at the top of the growing nanotube, or remain at its base, depending on the adhesion between the catalyst particle and the substrate. Catalytic thermal decomposition of hydrocarbons has become an active area of research and can be a favorable path for the mass production of carbon nanotubes. The fluid bed reactor is the most widely used for carbon nanotubes preparation. The main current challenge is the scaling-up of the reactor for mass production.
CVD is a common method for the commercial production of carbon nanotubes. For this purpose, the metal nanoparticles are mixed with catalyst support such as MgO or Al2O3. The surface area increase determines a greater yield of the catalytic reaction of carbon with the metal particles. A problem in this synthesis pathway is the removal of the catalytic support by acid treatment, which could sometimes destroy the original structure of carbon nanotubes. However, alternative water-soluble catalytic media have proven effective for the growth of nanotubes.
If plasma is generated by the application of a strong electric field during the growth process (plasma-enhanced chemical vapor deposition), then the growth of the nanotubes will follow the direction of the electric field. By adjusting the geometry of the reactor it is possible to synthesize vertically aligned carbon nanotubes (that is, perpendicular to the substrate), a morphology that has been interesting to researchers studying the emission of electrons from nanotubes. Without plasma, the resulting nanotubes are often randomly oriented. Under certain reaction conditions, including the absence of plasma, closely spaced nanotubes will maintain a vertical direction of growth, creating a dense series of tubes, described by scientists as a carpet or a forest.
Among the various synthesis methods, CVD is the most promising one for industrial-scale production, because of its price/unit ratio, and because it is able to produce nanotubes directly on the desired substrate, while in other growth techniques they must be collected. Growth sites can be controlled by careful deposition of the catalyst.
In 2007, a team from the University of Meijo has demonstrated a high-yield CVD method to grow carbon nanotubes from camphor. Researchers at Rice University, led until recently by the late Richard Smalley, have focused on methods for the production of large quantities of particular types of nanotubes. Their approach is to grow long fibers from many tiny nanotube branches cut from a single original nanotube. All the resulting fibers turned out to be of the same diameter as the original nanotube and should also be of the same type.