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Create le prime nanofibre di diamante ultra-sottili

Create per la prima volta nanofibre di carbonio nella forma allotropica del diamante

Scritto da Redazione di Gaianews.it il 23.09.2014

Le nanofibre di carbonio – nella forma allotropica del diamante – possono avere proprietà straordinarie, tra cui resistenza e rigidezza superiore a quella dei nanotubi e polimeri più forti oggi conosciuti. E per la prima volta, gli scienziati hanno scoperto come produrre queste “nanofibre di diamante” ultra-sottili che promettono proprietà straordinarie, tra cui resistenza e rigidezza superiore a quella dei nanotubi e dei polimeri più forti oggi in commercio. Un articolo che descrive questa scoperta giunge da un gruppo di ricerca guidato da John V. Badding, professore di chimica presso la Penn State University, e sarà pubblicato nel numero del 21 settembre 2014 della rivista Nature Materials.

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“Da un punto di vista scientifico la nostra scoperta è intrigante perché i fili che abbiamo creato hanno una struttura che non era mai stata vista prima”, ha detto Badding. Il nucleo delle nanofibre (nanothread in inglese) è un lungo filo sottile di atomi di carbonio disposti proprio come l’unità fondamentale della struttura di un diamante – anelli di “cicloesano”, sei atomi di carbonio legati insieme, in cui ogni carbonio è circondato da altri in una forte struttura triangolare-piramidale che ricorda il tetraedro. “E’ come se un gioielliere incredibile abbia inanellato i più piccoli diamanti possibili in una lunga collana in miniatura”, ha detto Badding. “Poiché questa fibra contiene una catena del genere, ci aspettiamo che abbia proprietà di estrema rigidezza, forza e – soprattutto – grande versatilità.”

La scoperta del team arriva dopo quasi un secolo di tentativi falliti da parte di altri laboratori di comprimere le molecole contenenti carbonio a partire dal benzene liquido. “Abbiamo utilizzato l’alta pressione per comprimere il benzene in quantità molto superiore rispetto a esperimenti precedenti,” ha dichiarato Malcolm Guthrie della Carnegie Institution for Science, coautore della ricerca. “Abbiamo scoperto che riducendo lentamente la pressione dopo una compressione sufficiente a temperatura ambiente dava agli atomi di carbonio il tempo di cui avevano bisogno per reagire tra loro e collegarsi in una catena altamente ordinata di tetraedri di carbonio, che formano queste nanofibre.”

La squadra di Badding è la primo di convincere le molecole contenenti atomi di carbonio a formare la forte forma del tetraedro, ma soprattutto a collegarsi tra loro per formare una lunga e sottile stringa.

Poiché la molecola di partenza è il benzene, il tetraedro è circondato da un alone di atomi di idrogeno. Durante il processo di compressione, le molecole di benzene si impilano insieme, si piegano fino a rompersi. Poi, quando i ricercatori riducono lentamente la pressione, gli atomi si ricollegano in un modo completamente diverso ma molto ordinato. Il risultato è una struttura che ha il carbonio nella configurazione tetraedrica del diamante con gli atomi di idrogeno messi di lato ad ogni tetraedro, in un lungo e sottile nanothread.

“E’ davvero sorprendente che questo tipo di organizzazione accada”, ha detto Badding. “Che gli atomi delle molecole di benzene si colleghino insieme a temperatura ambiente per fare una fibra è scioccante per i chimici e fisici. Considerando esperimenti precedenti, pensiamo che, quando la molecola di benzene si rompe sotto pressione molto alta, i suoi atomi vogliono aggrapparsi a qualcosa d’altro ma non possono muoversi, perché la pressione rimuove tutto lo spazio tra di loro. Quindi quando riduciamo la pressione avviene una reazione di polimerizzazione ordinata.”

Gli scienziati hanno confermato la struttura delle loro nanofibre di diamante con una serie di tecniche in diversi istituti, tra cui la diffrazione di raggi X, la diffrazione di neutroni, la spettroscopia Raman. Alcuni di questi primi nanothread sembrano imperfetti, quindi un prossimo obiettivo sarà quello di migliorare il processo.

Il nanothread può anche essere il primo membro di una nuova classe di nanomateriali a base di diamante basata su un forte nucleo tetraedrico.

Le potenziali applicazioni potrebbero essere sicuramente la realizzazione di estremamente forti, rigidi e leggeri – e questo permetterebbe la realizzazione di veicoli meno inquinanti e più leggeri. “Ma uno dei nostri sogni più sfrenati per i nanomateriali che stiamo sviluppando è la realizzazione di cavi leggeri e super resistenti che renderebbero possibile la costruzione di un ‘ascensore spaziale’, finora relegato solo alla letteratura fantascientifica”, ha concluso Badding. Un ascensore simile sarebbe in grado di far raggiungere alla cabina l’altezza in cui potrebbe sfuggire dall’attrazione gravitazionale della Terra senza l’utilizzo di razzi.

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