Le Nanomolecole

Carbonio

Il Carbonio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo C e come numero atomico 6 è un elemento nonmetallico, tetravalente, in natura, allo stato elementare, si trova sotto tre forme allotropiche.

Gli stati allotropici sono le forme di un elemento chimico che differiscono tra loro per struttura cristallina. Nel caso del carbonio le caratteristiche chimiche e fisiche di tali stati sono determinate dalla diversa disposizione spaziale degli atomi. Allo stato solido, a seconda delle condizioni termodinamiche (pressione e temperatura), si hanno due strutture fondamentali: il diamante e la grafite. Tuttavia, nei processi di condensazione, durante i quali il carbonio passa dalla fase liquida a quella solida, in determinate condizioni di pressione, si ha la formazione di altre strutture allotropiche derivanti dalla grafite, quali i fullereni e i nanotubi.

Il diamante ha un reticolo cristallino tetraedrico in cui ogni atomo di carbonio, ibridizzato sp3, forma legami covalenti puri con i propri omologhi, ossia ciascun atomo è legato ad altri 4 atomi di C. Quindi ogni diamante è una molecola unica costituita da un enorme numero di atomi di C. Tale perfezione strutturale conferisce al diamante preziosità e durezza massima. Il diamante viene utilizzato per la fabbricazione di lame industriali e di punte perforanti o come abrasivo.

Nella grafite gli atomi di carbonio, ibridizzati sp2, sono disposti su strati paralleli costituiti da un reticolo di esagoni regolari con ai vertici un atomo di carbonio. Quindi si ha una struttura che si sviluppa su un piano e non nello spazio, in questo modo sono impegnati solo 3 dei 4 elettroni di ciascun atomo, si ha così la presenza di un "mare di elettroni" fra gli strati di grafite, dovuti agli orbitali p non leganti, ed è questo che garantisce un'elevata conducibilità elettrica e ciò rende la grafite adatta, per esempio, alla costruzione di elettrodi. Altra caratteristica della grafite, che deriva dalla sua struttura, è la sfaldabilità dei piani reticolari; lo scorrimento reciproco dei piani consente l'uso della grafite come lubrificante solido.
La grafite può essere considerata come un cristallo molecolare costituito da molecole giganti (i piani) tenute insieme da forze di van der Waals.

Come sopra detto, nei processi di condensazione vi è una certa probabilità che gli atomi di carbonio si aggancino l'uno all'altro per formare fogli di grafene (singolo strato di grafite). Questi, arrotolandosi, possono dar luogo a molecole di forma geodetica (sferoidale) note con il nome di fullereni. Gli atomi di carbonio del fullerene sono disposti in modo da formare dodici pentagoni e un certo numero di esagoni. Il capostipite dei fullereni è il buckmisterfullerene, C60 che è composto - oltre che da dodici facce pentagonali - da venti facce esagonali con ciascun pentagono circondato da cinque esagoni. La forma di questo composto è identica a quella di un pallone da calcio. Questa molecola omonucleare è tra le più simmetriche nello spazio euclideo tridimensionale e può essere considerata la più rotonda delle molecole rotonde.
C'è anche la possibilità che questi fogli di grafene si arrotolino in modo da formare un cilindro o più cilindri coassiali: in questo caso si ha la formazione di nanotubi (i quali vengono detti talvolta 'cannoni elettronici' in quanto, con strutture lunghe 1 nm, si possono ottenere intensità di corrente di 1 µm A applicando tensioni di 80 V, a temperatura ambiente. Sfruttando queste proprietà superconduttive si stanno progettando tubi catodici per televisioni super sottili che utilizzano i nanotubi.