Nanotubi di Carbonio Incandescenti: Svelato il Segreto della Loro Luce “Speciale” Oltre i 1000 Gradi!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e meraviglie tecnologiche! Oggi voglio portarvi in un viaggio affascinante nel mondo dell’infinitamente piccolo, dove le leggi della fisica si manifestano in modi sorprendenti. Parleremo di nanotubi di carbonio, strutture minuscole ma dalle proprietà incredibili, e di come riescono a emettere luce anche quando sono roventi, superando i 1000 gradi Kelvin! Sembra fantascienza, vero? Eppure, è scienza pura, e quello che abbiamo scoperto apre scenari davvero interessanti.

Luce Calda, Luce Fredda… e Luce “Non Termica”?

Tutti sappiamo che se scaldiamo abbastanza un oggetto, questo inizia a brillare. Pensate al filamento di una vecchia lampadina: diventa incandescente ed emette luce. Questa è l’emissione termica, una sorta di “sudore luminoso” dovuto all’agitazione termica degli atomi. Ma nel mondo dei nanomateriali, come i nostri nanotubi di carbonio (che potete immaginare come fogli di grafene arrotolati su se stessi, come nella Fig. 1a dell’articolo originale), le cose si complicano.

Questi materiali possono emettere luce anche in modi diversi, non legati *solo* alla loro temperatura. Questa luce “extra” è spesso chiamata luminescenza. Nei nanotubi di carbonio semiconduttori, questa luminescenza deriva dagli eccitoni. Cosa sono? Immaginate una coppia legata, formata da un elettrone (carica negativa) e una “buca” (l’assenza di un elettrone, che si comporta come una carica positiva). Quando queste coppie si “ricombinano”, cioè l’elettrone riempie la buca, possono emettere un fotone, una particella di luce (come mostrato schematicamente nella Fig. 1b dell’articolo originale). Questi eccitoni nei nanotubi sono particolarmente stabili, anche a temperature elevate, grazie alle piccole dimensioni del nanotubo.

Il problema è che, quando le cose si scaldano parecchio, diventa difficile distinguere la semplice emissione termica dalla luminescenza. Usare concetti come la “temperatura effettiva” può essere fuorviante, specialmente se vogliamo capire quanta energia utile possiamo ottenere da questa luce, ad esempio per applicazioni come il termofotovoltaico (convertire calore in elettricità tramite la luce).

Il Potenziale Chimico dei Fotoni: La Chiave di Volta

Ecco dove entra in gioco un concetto un po’ più avanzato ma super utile: il potenziale chimico dei fotoni (indicato con la lettera greca μ, “mu”). Pensatelo così: se l’emissione è puramente termica, come quella di un corpo nero ideale, il potenziale chimico dei fotoni è zero (μ = 0). Se invece c’è un’eccitazione “extra”, non dovuta solo al calore (come nel caso della luminescenza), allora μ è maggiore di zero (μ > 0).

Un μ positivo ci dice che il materiale è in uno stato di non equilibrio termodinamico e che la luce emessa è più intensa di quanto ci aspetteremmo dalla sola temperatura. In pratica, μ misura quanta “energia libera” extra c’è in ogni fotone emesso. Questo è fondamentale! Un materiale capace di mantenere un μ elevato anche a temperature altissime sarebbe un emettitore di luce potentissimo e selettivo (cioè che emette in una banda di colori stretta), ideale per dispositivi avanzati di conversione energetica.

Finora, però, non era chiaro quale fosse il valore di μ per la luce emessa dai nanotubi di carbonio in diverse condizioni e a varie temperature. Ed è qui che entra in gioco la nostra ricerca.

L’Esperimento: Nanotubi Sotto Torchio (Laser e Corrente!)

Cosa abbiamo fatto? Abbiamo preso dei singoli nanotubi di carbonio, sia semiconduttori che metallici (che hanno proprietà elettriche diverse), e li abbiamo sospesi nel vuoto sopra delle piccole fessure (come si vede nella Fig. 2b dell’articolo originale). Sospenderli nel vuoto è cruciale per isolarli termicamente e poterli scaldare localmente in modo controllato.

Poi, li abbiamo “stuzzicati” in due modi:

• Con un laser a onda continua (CW): Il laser colpisce il nanotubo, lo eccita (creando eccitoni) e allo stesso tempo lo scalda.
• Con una corrente elettrica: Applicando una tensione ai capi del nanotubo (possibile grazie a degli elettrodi di platino, vedi Fig. 2b e 3e), abbiamo fatto passare corrente attraverso di esso, scaldandolo e inducendo emissione di luce.

Abbiamo misurato con cura la luce emessa (il suo spettro, cioè i “colori” presenti e la loro intensità) al variare dell’intensità del laser o della corrente, e quindi al variare della temperatura del nanotubo (che abbiamo stimato con tecniche specifiche, come l’analisi dello spostamento dei picchi di emissione o tramite spettroscopia Raman).

Risultati Sorprendenti: Dai Semiconduttori…

Partiamo dai nanotubi semiconduttori (nel nostro caso, uno specifico tipo identificato come (12,5)). Scaldandoli con il laser nel vuoto, abbiamo osservato un comportamento affascinante (Fig. 3b e 3c dell’articolo originale).
A temperature “moderate” (sotto i 1100 K circa), l’intensità della luce emessa era maggiore di quella che ci si aspetterebbe dalla sola emissione termica. Questo significa che stavamo osservando luminescenza eccitonica, con un potenziale chimico μ positivo. Addirittura a 1000 K, abbiamo misurato un μ di circa 0.04 eV! Non sembra tanto (è solo il 5% dell’energia del fotone emesso), ma basta a rendere la luce circa 1.6 volte più intensa della pura radiazione termica a quella temperatura. È la prova che i nanotubi possono “brillare” in modo speciale anche quando sono roventi!

Man mano che la temperatura saliva ulteriormente, però, l’intensità della luce ha iniziato a seguire perfettamente la legge dell’emissione termica (la linea rossa nell’inserto della Fig. 3d). Il potenziale chimico μ tendeva a zero. In pratica, sopra i 1100-1400 K, la luminescenza lasciava il posto alla “normale” incandescenza termica. Abbiamo quindi osservato una chiara transizione tra emissione non termica ed emissione termica al variare della temperatura.

Abbiamo anche verificato come cambiava questa luminescenza ad alta temperatura (900 K) applicando un campo elettrico esterno (effetto “gate”, Fig. 3f-i). Abbiamo visto che l’intensità della luce diminuiva in modo molto simile a come diminuiva l’emissività del materiale (misurata tramite scattering Rayleigh), suggerendo che a queste temperature l’emissione si comporta in modo più simile a quella termica, anche se μ non è ancora zero.

…Alla Vera Star: I Nanotubi Metallici!

Ma la vera sorpresa è arrivata quando abbiamo studiato i nanotubi metallici (uno di tipo (24,15)) eccitati tramite corrente elettrica. Anche questi emettono luce con picchi ben definiti, non una semplice emissione larga come quella di un corpo nero. Questa emissione proviene da eccitoni in una particolare banda energetica (chiamata M11, vedi inserto Fig. 4a).

Il dibattito sull’origine di questa luce nei metallici era acceso. Si pensava fosse legata a fononi (vibrazioni del reticolo atomico) “caldi”, non in equilibrio con il resto. Ma usando il nostro approccio basato sul potenziale chimico, abbiamo potuto fare chiarezza.

Abbiamo confrontato l’emissione sotto corrente (Fig. 4a) con l’emissione puramente termica dello stesso nanotubo scaldato con il laser (Fig. 4b). Il risultato è stato sbalorditivo (Fig. 4c): a parità di temperatura (intorno ai 1000 K), l’emissione sotto corrente era oltre cento volte più intensa di quella termica! L’intensità a 1000 K era paragonabile a quella che ci si aspetterebbe da un’emissione puramente termica a… 2000 K!

Calcolando il potenziale chimico μ, abbiamo trovato un valore enorme: circa 0.4 eV (inserto Fig. 4c)! Questo è quasi dieci volte superiore a quello misurato nei nanotubi semiconduttori alla stessa temperatura sotto eccitazione laser. Un valore così alto suggerisce che, sotto corrente, i nanotubi metallici possono ospitare un numero molto maggiore di eccitoni (o coppie elettrone-buca) rispetto ai semiconduttori sotto laser. Forse perché l’interazione tra eccitoni (che porta alla loro “autodistruzione”, un fenomeno chiamato annichilazione eccitone-eccitone) è meno efficiente nei metallici? È un’ipotesi affascinante.

Data l’importanza dei fononi non in equilibrio in questo processo, abbiamo proposto di chiamare questa particolare luminescenza ad alta temperatura “fono-luminescenza“, per distinguerla dalla comune elettroluminescenza.

Un Quadro Completo e Nuove Prospettive

Riassumendo i nostri risultati in un grafico (Fig. 5 dell’articolo originale), vediamo chiaramente due comportamenti distinti. I nanotubi semiconduttori sotto laser mostrano una luminescenza che diminuisce (in termini di μ normalizzato all’energia del fotone) all’aumentare della temperatura, seguendo una linea quasi costante dovuta al limite imposto dall’annichilazione eccitone-eccitone. I nanotubi metallici sotto corrente, invece, si collocano molto più in alto, con un μ elevatissimo anche a 1000 K, indicando un potenziale enorme.

Questa capacità dei nanotubi, specialmente quelli metallici sotto corrente, di emettere luce intensa e a banda stretta nel vicino infrarosso (NIR) anche a temperature estreme apre prospettive entusiasmanti. Potrebbero diventare la base per nuove sorgenti luminose ad alta efficienza per:

• Dispositivi termofotovoltaici avanzati, che convertono calore di scarto (ad esempio da processi industriali o dal sole) in elettricità in modo più efficiente.
• Sensoristica ad alta temperatura.
• Comunicazioni ottiche in ambienti difficili.

Insomma, studiando il “linguaggio termodinamico” della luce emessa dai nanotubi, abbiamo scoperto che questi piccoli cilindri di carbonio sono capaci di performance luminose eccezionali anche quando l’ambiente si fa… rovente! Non è solo “calore che brilla”, ma una luce “speciale”, non termica, che potremmo imparare a sfruttare per tecnologie innovative. Il viaggio nel nanomondo continua a riservarci sorprese incredibili!

Fonte: Springer