Introduzione

Ricerca biologica I ricercatori della Rice University e della State University di New York hanno dimostrato che l'aggiunta di modeste percentuali in peso di nanotubi di carbonio può condurre a un significativo miglioramento delle proprietà meccaniche dei nanocomposti polimerici biodegradabili per applicazioni nell'ingegneria dei tessuti ossei. Inoltre la perdita di piccole percentuali di peso in grafene danno un significativo aumento delle proprietà meccaniche di compressione e flessibilità dei nanocomposti.

I nanotubi mostrano una compatibilità dimensionale e chimica con biomolecole, quali il DNA e le proteine. Inoltre permettono tecniche di fluorescenza e imaging foto-acustiche utilizzate nella localizzazione del calore tramite radiazioni a infrarossi. Biosensori a singolo nanotubo mostrano grandi cambiamenti nell'impedenza elettrica e nelle proprietà ottiche, tipicamente modulate dall'assorbimento della superficie dei nanotubi. I bassi limiti di rilevabilità e l'alta selettività richiedono una progettazione della superficie dei nanotubi e dei loro effetti sul campo, sulla capacità, tramite anche degli spettri di Raman e tecniche di fotoluminescenza. Alcuni prodotti in via di sviluppo includono test stampati per il rilevamento di estrogeni e progesterone, microarrays per il DNA e il rilevamento delle proteine e sensori per il NO2 e la troponina cardiaca. Sensori simili vengono utilizzati anche nell'industria alimentare e per applicazioni militari e ambientali.

I nanotubi possono anche entrare nelle cellule legandosi ai recettori esterni della membrana cellulare. Tutto ciò abilita la trasmissione di molecole che possono essere attaccate alle pareti dei nanotubi o incapsulate negli stessi. Per esempio, la doxorubicina, farmaco utilizzato nella cura del cancro, è stata caricata su un nanotubo con una percentuale in peso del 60% rispetto al precedente 8-10 % di carica su un liposoma. Il rilascio del carico può essere attivato da radiazioni infrarosso. Tuttavia è fondamentale limitare la ritenzione di nanotubi all'interno del corpo per evitare un accumulo indesiderato di prodotto.

La tossicità dei nanotubi rimane comunque il principale ostacolo, anche se la loro biocompatibilità può essere migliorata. Il grado di infiammazione polmonare causata dell'inalazione di sensori SWNT di carbonio rimane insignificante rispetto all'asbesto o ad altri materiali aerei. L'accettazione in ambito medico dei nanotubi richiede la comprensione della risposta immunitaria al carbonio e il corretto standard di esposizione a esso per inalazione, ingestione, iniezione e contatto con la pelle. I nanotubi immobilizzati all'interno di un polimero non hanno mostrato un'elevata risposta infiammatoria durante i controlli. Essi sono stati presi in considerazione anche come elettrodi a bassa impedenza nella ricerca neuronale. Inoltre ne è stato ipotizzato l'utilizzo come rivestimento per i cateteri per ridurre il rischio di trombosi.

L'utilizzo di nanotubi come sorgenti di raggi X è ancora in fase di studio. Basandosi sulle proprietà uniche di questi materiali, i ricercatori hanno sviluppato catodi a emissione di campo che permettono precisi controlli ai raggi X e un posizionamento migliore per queste sorgenti. L'utilità come fonti di raggi X è stata dimostrata per le applicazioni in imaging di diagnosi pre-cliniche per piccoli animali e sta venendo testata anche in ambito clinico sugli uomini.

Materiali composti Composti Filati I nanotubi, come filati o fogli laminati, ottenuti dalla deposizione chimica di vapori o tramite la filatura o attraverso metodi di disegno, possono competere con le fibre di carbonio per usi di fascia alta, specialmente in applicazioni sensibili al peso e che richiedono comunque funzionalità sia meccaniche sia elettroniche. Filati di ricerca, costituiti da sottili nanotubi, hanno raggiunto una rigidezza di 357 GPa e una resistenza di 8,8 GPa per un tratto utile comparabile a un tratto più lungo di un nanotubo non filato. Tratti di alcuni centimetri offrono una resistenza gravimetrica di 2 GPa, comparabile a quella del Kevlar.

Dato che la probabilità di rottura aumenta con il volume, i filati non potranno mai raggiungere la resistenza dei singoli nanotubi. Tuttavia la grande area di superficie offerta può mitigare questa carenza. I filati possono essere annodati senza alcuna perdita di resistenza. Gli usi ipotizzati riguardano la costruzione di cavi superconduttori, batterie, elettrodi di celle a combustibile e tessuti autopulenti.

Se finora erano impraticabili le fibre allineate di singoli nanotubi adesso possono essere fatte tramite la coagulazione di nanotubi in sospensione. Questi prodotti sono necessari per la commercializzazione. I nanotubi di carbonio inoltre possono essere dissolti nell'acido fluorosulfonico e costruiti come fibre.Proceedings of the 7th Aachen-Dresden International Textile Conference, November 28–29, 2013, Aachen, Germany.

Alcuni filati composti da polimeri di nanotubi a doppio tubo sono stati costruiti dalla torsione di fasci orientati di nanotubi singoli sottilmente rivestiti con composti organici polimerici.

L'università di Cambridge ha sviluppato queste fibre per la costruzione di giubbotti antiproiettile e ha concesso a una società la realizzazione di tale materiale. In confronto, il Kevlar, materiale antiproiettile d'eccellenza, non resiste ai 27-33 J/g cui resistono invece queste fibre.

Sono state realizzate anche fibre muscolari sintetiche che offrono un elevato rapporto di estensione e contrazione in risposta a un impulso elettrico.

Nanotubi singoli stanno venendo sperimentati come materiale per pannelli strutturali removibili per ponti.

Nel 2015 alcuni ricercatori hanno incorporato dei nanotubi e del grafene in fibre di seta di ragno incrementando la loro resistenza e la loro durezza raggiungendo un nuovo record. Hanno spruzzato 15 ragni della famiglia delle Pholcidae con dell'acqua contenente fiocchi di nanotubi. La seta risultante aveva una resistenza alla frattura di 5,4 GPa, un modulo elastico di 47,8 GPa e un modulo di durezza di 2,1 GPa. Ha surclassato sia fibre sintetiche polimeriche ad alto rendimento (Kevlar) sia fibre annodate. Molle di nanotubi Leghe Rivestimenti e pellicole

Microelettronica I nanotubi sono compatibili con l'architettura dei transistor a effetto di campo (FET) e presentano un'elevata costante dielettrica. I progressi ottenuti dopo la prima comparsa nel 1998 dei transistor a nanotubi includono:

• Un tunneling FET con un swing sottosoglia <60 mV per ogni 10 FET (2004)

• Una radio (2007)

• Un FET con una lunghezza del canale sotto i 10 nm e una densità di corrente normalizzata di 2,41 mA μm-1 a 0,5 V. Risultato migliore di quello ottenuto con transistor al silicio.

Tuttavia il diametro, la chiralità, la densità e il collocamento restano fattori insufficienti per una produzione di tipo commerciale. Alcuni dispositivi che richiedono meno di decine di migliaia di nanotubi sono più facilmente costruibili attualmente. L'uso di tranistor a nanotubi permette un incremento della corrente in output e compensa i difetti e le differenze chirali, aumentando l'uniformità e la riproducibilità dei dispositivi. Per esempio, transistor utilizzati in array di nanotubi orizzontali allineati raggiungono una mutevolezza di 80 cm2 V-1 s-1, una corrente di sottosoglia di 140 mV per decina e un rapporto on/off di 105. Il metodo di deposizione di un film di nanotubi su un semiconduttore ne abilita la fabbricazione con un quantitativo in CNT maggiore di 10 000 per ogni chip.

Transistor a pellicola sottile (TFT) stampati in nanotubi sono utili per display a diodi organici a emissione di luce. Essi hanno mostrato una maggiore mobilità rispetto a quella del silicio amorfo (~1 cm2 V-1 s-1) e possono essere depositati a basse temperature tramite un metodo che non sfrutta il vuoto. Sono stati costruiti dei TFT con nanotubi aventi una mobilità di 35 cm2 V-1 s-1 e un rapporto on/off di 6×106. Un FET a nanotubi verticali ha mostrato una corrente in uscita sufficiente ad alimentare degli OLED a basso voltaggio, abilitando emissioni RGB attraverso una rete di CNT trasparente. I nanotubi di carbonio potrebbero essere utilizzati anche come tag di identificazione per le radio-frequenze. È stata dimostrata la ritenzione selettiva dei nanotubi singoli semiconduttori durante lo spin coating e una ridotta sensibilità all'assorbimento.

La roadmap internazionale per la tecnologia dei semiconduttori ha affermato che il rame potrebbe essere sostituito da nanotubi nelle interconnessioni microelettroniche, grazie al loro basso scattering, alla loro alta capacità di trasporto della corrente e alla resistenza offerta alla elettromigrazione. Per questo, sono necessari dei CNT impacchettati in metalli con un basso difetto di densità e una bassa resistenza al contatto. Recentemente è stato provato che semiconduttori complementari di metallo ossidato (CMOS), aventi un singolo CNT dal diametro di 150 nm, hanno un buco di resistenza al contatto pari a 2,8 kΩ. Inoltre i nanotubi possono essere utilizzati come conduttori elettrici e dissipatori di calore in amplificatori ad alta potenza.

In ultimo il concetto di una memoria non volatile, basata su interruttori singoli a nanotubi di tipo crossbar, è stato adattato per la commercializzazione modellando un film di CNT preso come elemento funzionale. Tutto ciò ha richiesto lo sviluppo di nanotubi ultrapuri che possono essere lavorati, tramite il processo dello spin-coating, in camere industriali ad atmosfera controllata. Il risultato è un prodotto compatibile con i processi standard degli CMOS.

Transistor Transistor a effetto di campo prodotti con nanotubi di carbonio (CNTFET) possono operare a temperatura ambiente e sono in grado di attuare una commutazione digitale mediante un singolo elettrone. Nel 2013 è stato dimostrato che un circuito logico a nanotubi era in grado di produrre un lavoro utile. I maggiori ostacoli alla microelettronica basata su CNT includono l'assenza di una tecnologia per una produzione di massa, la densità del circuito, il posizionamento dei singoli contatti elettrici, la purezza del campione, il controllo sulla lunghezza, la chiralità e l'allineamento desiderato dei CNT, il gap termico e la resistenza al contatto.

Una delle maggiori sfide era quella di regolare la conduttività. Un nanotubo infatti può comportarsi sia da conduttore sia da semiconduttore a seconda delle caratteristiche della superficie.

Un altro metodo per costruire dei transistor è utilizzando delle reti di nanotubi casuali. Facendo ciò si media sulle loro differenze elettriche e in questo modo si permette la creazione del dispositivo a livello del wafer.Nanōmix – Breakthrough Detection Solutions with the Nanoelectronic Sensation Technology. Nano.com. Retrieved on 2012–06–06.

I lunghi canali dei CNTFET mostrano caratteristiche di trasporto balistico e pertanto gli elettroni si muovono ad alte velocità. I dispositivi a nanotubi sono progettati per operare in un range di frequenza intorno a centinaia di gigahertz.

I nanotubi possono essere inseriti in nanoparticelle di un metallo magnetico (ferro o cobalto) e ciò facilita la produzione di device elettronici (spintronic device). In particolare è stato dimostrato che in una struttura a nanotubo singolo è possibile il controllo della corrente tramite un transistor a effetto di campo utilizzando dei campi magnetici.

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