Il carbonio vetroso (GC acronimo inglese di Glassy Carbon), detto anche carbonio vitreo è un materiale tridimensionale costituito da una forma amorfa di carbonio contenente atomi ibridati sp2 che unisce le proprietà vetrose e ceramiche a quelle della grafite.
Contrariamente ai film di carbonio amorfo che sono disordinati su scala atomica e hanno una frazione di legami in cui gli atomi hanno ibridazione sp3 che può arrivare anche al 100% il carbonio vetroso è un solido in massa basato su fogli di grafene che si presenta isotropico e disordinato.
Fin dai primi accenni alla sua esistenza degli anni ’30 e ’40, dalla ricerca fondamentale su di esso della chimica britannica Rosalind E. Franklin negli anni ’40 il carbonio vetroso ha disorientato gli scienziati dei materiali per le sue complessità strutturali.
Come suggerito dal suo nome, la definizione di carbonio vetroso è principalmente di natura cristallografica e meccanica, riferendosi rispettivamente alla sua mancanza di ordine cristallino a lungo raggio e alla sua frattura simile al vetro.
Sebbene il carbonio vetroso sia strutturalmente amorfo, il termine carbonio amorfo, si riferisce a quello che forma il carbone attivo, ma anche, in una certa misura di nero di carbone e punti di carbonio. La differenza fondamentale, secondo la nomenclatura I.U.P.A.C., risiede nella presenza caratteristica di elementi strutturali planari e nel fatto che quasi tutti gli atomi di carbonio in esso sono ibridati sp2, in contrasto con le ibridazioni ampiamente e casualmente distribuite presenti nel carbonio amorfo.
Inoltre, a differenza della maggior parte dei materiali amorfi, che cristallizzano durante la ricottura, il carbonio vetroso si forma a temperature elevate. Poiché è quasi puramente ibridato sp2, contenente tre legami σ e un legame π delocalizzato, tra gli allotropi tradizionali del carbonio è più simile alla grafite.
Proprietà del carbonio vetroso
Il carbonio vetroso è costituito da nastri o fogli intrecciati simili al grafene che formano una rete disordinata di pareti tra vuoti di dimensioni tipiche 1–5 nm, con ordine grafitico turbostratico a corto raggio su una scala di lunghezza di circa 1 nm e probabilmente alcuni legami interstrato sp3 .
Le proprietà più importanti sono la bassa densità, la resistenza elettrica, l’attrito, la resistenza termica, l’elevata resistenza da parte di sostanze chimiche, l’impermeabilità a gas e liquidi e la resistenza alle alte temperature, infatti, nel vuoto può resistere a temperature fino a circa 3.000 °C
Oltre all’elevatissima stabilità termica, le sue proprietà distintive includono la sua estrema resistenza all’attacco chimico. È stato dimostrato che le velocità di ossidazione del carbonio vetroso in presenza di ossigeno, anidride carbonica o vapore acqueo sono inferiori a quelle di qualsiasi altro carbonio.
Il carbonio vetroso ha una densità apparente di 1530 kg/m3, una resistenza alla flessione di 150 Mpa, un modulo di Young di 23 GPa, una conduttività termica di 7 W/mK, un calore specifico di 0.75 J/gK e un coefficiente di dilatazione termica 3.7 · 106 /°C
Preparazione
Il carbonio vetroso è prodotto dalla pirolisi controllata di un polimero organico. La lavorazione deve essere controllata con precisione e lo spessore in una dimensione deve essere piccolo per
garantire l’eliminazione dei prodotti volatili che vengono generati dalla pirolisi. Per produrre un carbonio chimicamente puro è necessario un trattamento finale a temperature comprese tra 1500 e 2500 °C.
Il carbonio vetroso viene in genere prodotto attraverso la carbonizzazione di un precursore di resina termoindurente tipicamente la resina fenolo–formaldeide e il polialcol furfurilico utilizzati per la loro stabilità termica e la capacità di formare strutture dense e omogenee. Precursori naturali, come la canfora, sono talvolta utilizzati per semplificare la procedura di pirolisi. Inoltre, sono emerse nuove resine come alternative alle tradizionali resine termoindurenti, aprendo nuove possibilità nella sintesi del carbonio vetroso.
Dopo la polimerizzazione del precursore si procede alla carbonizzazione mediante trattamento termico in un’atmosfera inerte con una temperatura minima di 600 °C, sebbene la maggior parte dei materiali di carbonio vetroso prodotti commercialmente vengano carbonizzati tra 1000 e 2000 °C.
Una tecnologia alternativa ai metodi convenzionali recentemente sviluppata che attualmente vede il maggior utilizzo è la polimerizzazione fotonica che utilizza lampade allo xeno per pulsare rapidamente luce ad alta intensità, trasferendo
un’elevata densità di energia sulla superficie dei precursori
Applicazioni
Le proprietà chimiche, meccaniche, elettriche e termiche, hanno reso possibili rapidi progressi nei settori biomedico, farmaceutico, elettronico ed energetico. Grazie alla sua forte resistenza alla corrosione e biocompatibilità, il carbonio vetroso è stato testato nel campo dell’implantologia decenni fa.
Quando è stato impiantato negli animali a metà e alla fine del XX secolo, i risultati hanno dimostrato che, sebbene il carbonio vetroso non sia assorbibile, è biocompatibile e ha un grande potenziale per l’uso in medicina.
A causa del fatto che il suo modulo elastico e la sua porosità sono simili a quelli dell’osso naturale, per la sua durevolezza e resistenza all’usura è stato ha utilizzato come materiale solido per la guarigione di ossa e tessuti dentali, negli impianti umani, tra cui protesi ortopediche, radici dei denti e membrane cardiache.
Inoltre la sua superficie liscia riduce il rischio di adesione batterica, fattore fondamentale per gli impianti medici dove, in alcune applicazioni, rappresenta un’alternativa leggera e resistente ai materiali tradizionali come, ad esempio, il titanio.
Il carbonio vetroso è usato in diverse applicazioni tecnologiche, tra cui oltre agli scaffold per l’ingegneria tissutale, ha trovato utilizzo nei sensori elettrochimici per la determinazione molecolare, sistemi di accumulo di energia, dispositivi elettrochimici per il trattamento delle acque reflue, utensili per stampaggio di precisione, incapsulamento di rifiuti nucleari e agente antistatico per imballaggi antistatici.
Per la sua leggerezza e resistenza alle alte temperature è adatto per componenti nel campo del settore aerospaziale. Per la sua purezza e inerzia il carbonio vetroso è un materiale utilizzato per apparecchiature di laboratorio e quando sono coinvolte sostanze corrosive.
Il carbonio vetroso è usato in elettrochimica nella voltammetria e nell’amperometria e altre tecniche elettrochimiche. Trova utilizzo nella produzione di semiconduttori e altri materiali che richiedono lavorazioni ad alta temperatura ed è ideale per fondere e trattenere metalli, leghe e altri materiali che richiedono un ambiente chimicamente inerte. La sua bassa dilatazione termica garantisce stabilità dimensionale anche in caso di stress termico.
L’elettrodo di lavoro in carbonio vetroso è l’elettrodo a base di carbonio più comunemente utilizzato in elettrochimica come voltammetria ciclica e voltammetria a scansione lineare, grazie alle sue proprietà di resistenza alle alte temperature, durezza, bassa densità e bassa resistenza elettrica. Il carbonio vetroso è uno dei materiali per elettrodi ampiamente utilizzati per realizzare elettrodi di lavoro.