Come ottenere dei buoni nanotubi di carbonio con il riscaldamento a raggi infrarossi
Per produrre nanotubi di carbonio è fondamentale gestire al meglio le zone ad alta temperatura necessarie per avviare il processo di deposizione chimica da vapore (CVD). Per molto tempo si sono utilizzati soltanto forni tradizionali a resistenza. Tuttavia, ora abbiamo sostituito questi ultimi con lampade a riscaldamento a raggi infrarossi. Perché? Perché riscaldare un’intera camera piena d’aria solo per riscaldare una piccola area rappresenta uno spreco di energia.
Il calore dove conta davvero
Per far crescere i nanotubi di carbonio è necessario un aumento rapido della temperatura, insieme a un controllo preciso della stessa. È qui che le lampade a raggi infrarossi risultano particolarmente utili: invece di aspettare che l’intera camera si riscaldi, l’energia radiante colpisce direttamente il substrato su cui avviene la crescita dei nanotubi. In questo modo si risparmia energia, poiché non è necessario riscaldare l’aria, ma soltanto il substrato stesso. Questo riduce i consumi energetici e rende il processo di produzione più “verde”.
Gli strumenti che utilizziamo
Utilizziamo lampade a onde corte in quarzo. Le onde corte permettono infatti un riscaldamento più rapido del substrato rispetto alle onde medie o lunghe. Le lampade vengono azionate con potenze elevate, in modo da raggiungere le temperature necessarie per la sintesi dei nanotubi, ovvero tra i 700°C e i 1000°C.
L’aspetto hardware non è semplice da gestire: dobbiamo utilizzare connettori resistenti, poiché la corrente è molto intensa. Se i cavi non sono in grado di resistere a questo carico termico, i terminali si bruciano. Inoltre, utilizziamo involucri in quarzo: sono gli unici materiali che non vengono danneggiati dai gas corrosivi presenti durante il processo di CVD.
I compromessi (perché niente è perfetto)
I sistemi a raggi infrarossi sono molto più piccoli rispetto ai vecchi forni. Si riscaldano in pochi secondi, il che rappresenta un grande vantaggio dal punto di vista dello svolgimento del lavoro. Tuttavia, c’è un problema: il calore emesso dalle lampade è direzionale. Se la lampada non è posizionata correttamente, si creano zone fredde sul substrato. Questo fa sì che la crescita dei nanotubi sia irregolare. Per evitare questo problema, è necessario controllare attentamente i regolatori di temperatura e i termocoppie, in modo da non superare i limiti di temperatura consentiti.
Non bisogna dimenticare nemmeno la protezione contre i raggi infrarossi: se questa non viene applicata, i sensori potrebbero essere danneggiati, e i dati raccolti potrebbero diventare inutilizzabili.