Una caratterizzazione sistematica ad alta produttività dei nanomateriali di carbonio
I nanomateriali di carbonio sono una famiglia molto ampia di allotropi di questo elemento, ovvero varianti con forme fisiche diverse dotate di proprietà fisiche, chimiche, termiche, elettriche e magnetiche variabili. Questi materiali comprendono i nanotubi di carbonio, il grafene, i fullereni, i punti quantici a base di carbonio e i nanodiamanti. Già solo all’interno della sottoclasse dei nanotubi di carbonio, ne esistono di numerose tipologie: a parete singola, multipla e multipla singola-doppia. Le pareti stesse (formate un foglio di grafene «arrotolato») possono essere a zig-zag, chirali o «a poltrona», termini che descrivono la relazione tra gli atomi di carbonio su più anelli esagonali. Per accelerare l’applicazione è necessaria una migliore comprensione delle proprietà fisiochimiche dei nanomateriali di carbonio specifici, nonché di come esse si correlino alle prestazioni offerte. Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA), il progetto TACOMA ha contribuito in modo sostanziale a colmare questa lacuna di conoscenza, sviluppando e applicando in situ la spettroscopia ad assorbimento di raggi X (XAS, X-ray absorption spectroscopy) e la tecnologia basata sui sensori del bordo di transizione (TES, transition-edge sensor).
Gruppi funzionali dell’ossigeno e residui metallici
Gli orbitali degli elettroni definiscono le più probabili posizioni in cui questi si possono trovare intorno al nucleo di un atomo. Gli orbitali ibridi si formano quando due o più orbitali vengono «combinati» tra loro; i nanomateriali di carbonio sono caratterizzati da un’ibridazione di tipo sp2 o sp3. Secondo Sami Sainio, borsista MSCA e ricercatore presso l’Università di Oulu: «Le proprietà e l’applicabilità dei nanomateriali di carbonio sono direttamente collegate alla loro ibridazione e all’orientamento degli orbitali, nonché eventualmente ad altri parametri. Oltre a questi due aspetti, abbiamo approfondito la funzionalizzazione dell’ossigeno in superficie e i metalli.» TACOMA si è proposto di identificare i principali gruppi funzionali contenenti ossigeno sulle superfici dei nanomateriali di carbonio, per poi determinare quali metalli fossero presenti in questi materiali. Inoltre, il progetto ha provato a determinare il contributo apportato alle prestazioni elettrochimiche dei materiali osservate.
Una tecnologia TES implementata con XAS morbida
Sainio ha sfruttato due tecnologie all’avanguardia, ovvero XAS e TES. La XAS morbida utilizza la radiazione sincrotrone nel vuoto per eccitare gli elettroni e ottenere le informazioni atomiche specifiche a livello di elemento relative alle strutture chimiche ed elettroniche locali. I TES, termometri che operano a una temperatura Kelvin prossima allo zero assoluto, consentono di rilevare i singoli fotoni rilasciati durante il processo di de-eccitazione. Insieme ai colleghi della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) negli Stati Uniti, Sainio ha impiegato l’automazione industriale per servire la comunità di utenti in modo migliore, dati i requisiti di distanziamento relativi alla pandemia di COVID-19. In tal modo è stato possibile migliorare la produttività delle linee del fascio SSRL 8-2 e 10-1 di circa 10 volte rispetto al funzionamento manuale, il che ha consentito a Sainio e ad altri utenti di caratterizzare sistematicamente la chimica di superficie di molteplici materiali diversi.
Un metodo scientifico rigoroso per garantire un percorso di successo
«Siamo ora a conoscenza del fatto che quasi tutti i nanomateriali di carbonio sono contaminati da alcune impurità metalliche, mentre i 13 diversi nanomateriali di carbonio che abbiamo analizzato presentano una funzionalizzazione dell’ossigeno di superficie notevolmente simile tra loro. Ciò suggerisce che il comportamento dei materiali sia il risultato di una combinazione di proprietà e che le funzionalità dell’ossigeno potrebbero svolgere un ruolo con un’importanza minore rispetto a quella ipotizzata in precedenza», spiega Sainio. Sainio ha sottolineato la necessità e il valore di applicare un metodo scientifico rigoroso. Dato che le superfici formano l’interfaccia con altri materiali, molte ricerche si concentrano sulle loro proprietà e sulla relativa funzionalizzazione. Il rigoroso approccio ad alta produttività di TACOMA ha dimostrato che la funzionalizzazione delle superfici potrebbe non rappresentare il «santo Graal» della progettazione di nanomateriali di carbonio dotati di proprietà esotiche per le applicazioni. Questi studi strategici consentiranno agli scienziati di caratterizzare i nanomateriali di carbonio in modo standardizzato, informando i modelli per prevedere con precisione le proprietà dei materiali ancora non caratterizzati. «Gli interessati hanno ora la possibilità di esaminare i nostri risultati e di decidere con cognizione di causa quali di questi materiali, se ne esistono, possono costituire dei candidati per le loro applicazioni», conclude Sainio.
Parole chiave
TACOMA, nanomateriali di carbonio, TES, XAS, funzionalizzazione dell’ossigeno in superficie, SSRL, sincrotrone, spettroscopia morbida ad assorbimento di raggi X, sensore del bordo di transizione
