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I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono nanostrutture cilindriche composte da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale, arrotolati in un tubo senza saldature.La loro struttura unica conferisce loro eccezionali proprietà meccaniche, elettriche e termiche, rendendoli estremamente preziosi in varie applicazioni.La struttura degli SWCNT è definita dalla loro chiralità, dal diametro e dalla lunghezza, che ne determinano le proprietà elettroniche.Di seguito, esploriamo gli aspetti chiave della loro struttura e come vengono sintetizzati con metodi come la deposizione chimica da vapore (CVD).

Punti chiave spiegati:

1. Struttura di base dei SWCNT:

   • Gli SWCNT sono composti da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale, simile al grafene.
   • Gli atomi di carbonio sono ibridati in sp², formando forti legami covalenti con tre atomi vicini.
   • Il tubo si forma arrotolando un foglio di grafene in un cilindro, con i bordi uniti senza soluzione di continuità.

2. La chiralità e la sua importanza:

   • La chiralità si riferisce al modo specifico in cui il foglio di grafene è arrotolato, definito dal vettore chirale (n, m), dove n e m sono numeri interi.
   • Il vettore chirale determina il diametro e le proprietà elettroniche del nanotubo.
   • A seconda dei valori di n e m, i SWCNT possono essere metallici, semiconduttori o semimetallici.

3. Diametro e lunghezza:

   • Il diametro dei SWCNT varia tipicamente da 0,4 a 2 nanometri.
   • La lunghezza può variare da pochi nanometri a diversi micrometri, a seconda del metodo di sintesi.
   • Diametri più piccoli comportano una maggiore curvatura, che può alterare leggermente le proprietà elettroniche rispetto al grafene planare.

4. Metodi di sintesi:

   • Deposizione chimica da vapore (CVD):Il metodo commerciale dominante per la produzione di SWCNT.Comporta la decomposizione di gas contenenti carbonio (come il metano) su un catalizzatore ad alte temperature.
   • Ablazione laser e scarica ad arco:Metodi tradizionali che utilizzano processi ad alta energia per vaporizzare il carbonio e formare nanotubi.Questi metodi sono meno scalabili rispetto alla CVD.
   • Metodi emergenti:Per una produzione più sostenibile si stanno studiando tecniche come l'utilizzo di anidride carbonica catturata per elettrolisi in sali fusi o la pirolisi del metano.

5. Applicazioni influenzate dalla struttura:

   • Batterie agli ioni di litio:Le SWCNT sono utilizzate sia nei catodi che negli anodi grazie alla loro elevata conduttività e resistenza meccanica.
   • Compositi:Migliorano le proprietà dei polimeri conduttivi, dei compositi polimerici rinforzati con fibre e persino del calcestruzzo e dell'asfalto.
   • Altre applicazioni:Le SWCNT sono utilizzate in film conduttivi trasparenti, materiali per interfacce termiche e sensori, sfruttando le loro proprietà strutturali uniche.

6. Proprietà elettroniche:

   • Le SWCNT metalliche presentano un'elevata conducibilità elettrica, che le rende adatte ad applicazioni conduttive.
   • Le SWCNT semiconduttrici hanno un bandgap che può essere regolato regolando il diametro e la chiralità, rendendole ideali per i dispositivi elettronici.

7. Proprietà meccaniche e termiche:

   • Le SWCNT hanno una resistenza alla trazione e un modulo di Young eccezionali, che le rendono uno dei materiali più resistenti conosciuti.
   • Presentano inoltre un'elevata conduttività termica, utile nelle applicazioni di gestione termica.

Comprendendo la struttura degli SWCNT, i ricercatori e gli ingegneri possono personalizzarne le proprietà per applicazioni specifiche, dall'accumulo di energia ai compositi avanzati.I metodi di sintesi, in particolare la CVD, svolgono un ruolo cruciale nel controllare la qualità e la scalabilità della produzione di SWCNT.

Tabella riassuntiva:

Aspetto	Dettagli
Struttura di base	Singolo strato di atomi di carbonio in un reticolo esagonale, arrotolato in un tubo senza saldatura.
Chiralità	Determina il diametro e le proprietà elettroniche (metalliche, semiconduttive, ecc.).
Diametro e lunghezza	Diametro: 0,4-2 nm; lunghezza: da nanometri a micrometri.
Metodi di sintesi	CVD (dominante), ablazione laser, scarica ad arco e metodi sostenibili emergenti.
Applicazioni	Batterie agli ioni di litio, compositi, film trasparenti, sensori e altro ancora.
Proprietà elettroniche	Elevata conduttività (metallica) o bandgap sintonizzabile (semiconduttiva).
Proprietà meccaniche	Eccezionale resistenza alla trazione e modulo di Young.
Proprietà termiche	Elevata conduttività termica per la gestione termica.

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