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Generatore basato sull’impianto di Kratschmer-Huffman |
L’apparato sperimentale usato da Smalley che portò alla scoperta della nuova forma allotropica del carbonio ne produceva quantità troppo piccole (pochissimi nanogrammi) anche per lo studio. Nel 1990 Krätshmer (Max Plance Institute, Germania) e Huffman (Università dell’Arizona, USA) scoprirono la presenza di C60 nella fuliggine prodotta dall’evaporazione degli elettrodi di grafite per resistenza elettrica in un atmosfera di elio a circa ~100 torr (760 torr = 1 atm).
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Generatore basato sull’impianto di Kratschmer-Huffman |
Comunque solo una piccola percentuale della fuliggine era formata da C60, che poteva essere estratta con solventi a base di benzene. La soluzione di benzene veniva separata per decantazione dalle polveri nere insolubili a poi essiccata a bassa temperatura, ottenendo un materiale cristallino di colore tra il marrone scuro ed il nero. L’analisi degli spettri di massa (mass spectral analysis) mostrava che il C60 ed il C70 erano in rapporto di 10:1.
Smalley modificò la macchina di Krätshmer. Nel apparato di Smalley, una arco elettrico (20 volt) era mantenuto tra i due elettrodi di grafite al fine di produrre localmente una temperatura di circa 4000°K. La maggior parte dell’energia era, quindi, dissipata non per resistenza elettrica negli elettrodi ma per mantenere la scintilla.
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Diagramma della macchina di Smalley usata per
produrre quantità macroscopiche di C
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Tutto l’impianto era mantenuto in una atmosfera di elio o argon a ~100 torr. Si produceva fuliggine nera, che trattata con solventi organici, soprattutto con toluene, portava alla separazione di fullerene dalle scorie.
Kroto fu il primo a mostrare come la mistura di C60 e C70 poteva essere separata con la cromatografia a colonna. Il processo di separazione cromatografica (con allumina ed esano) produceva un solido di C60 che passava dal marrone al nero con l’aumento dello spessore del film. Il C70 era di colore grigio-nero.
L’uso della macchina ad arco tra elettrodi di grafite ha un costo molto rilevante, infatti, il fullerene C60 ha un costo di circa 70$/g, costo che aumenta fino ad alcune migliaia di dollari per forme di fullerene più rare come il C84. Questi costi, economici e ambientali, sono dovuti a vari fattori quali:
· La scarsa resa nella produzione che si attesta su un 4% di fullerene sul peso totale delle polveri.
· L’alto costo delle bacchette di grafite che fanno da elettrodi (40$/kg), dovuto all’alta conducibilità elettrica necessaria per questo tipo di processo.
· Il costo energetico, 1500 kWh/kg
· Il costo delle grosse quantità di toluene che sono necessarie per dividere i vari tipi di fullereni dagli scarti di produzione.
Oggigiorno il processo produttivo più promettente è quello che usa l’energia solare per vaporizzare la grafite.
Questo processo in pratica focalizza la luce solare su un punto di un cilindro di grafite che viene portato ad una temperatura di 3500°K. A questa temperatura la tensione di vapore del carbonio diviene significativa e controllando il processo di condensazione si arriva alla produzione di fullerene. La resa del processo è di circa il 20% ed è circa il 30% più efficiente di altri processi basati sull’evaporazione con laser. L’aumento della resa porta ad un minore uso di solventi, con un abbattimento dei costi. È inoltre possibile usare materia prima meno costosa, in quanto non è necessario che la grafite abbia un alta conducibilità elettrica. La produzione con arco tra elettrodi di grafite presenta grossi problemi se si vuole aumentare il ritmo della produzione, infatti all’aumentare del diametro della bacchetta di grafite diminuisce la resa ed non è possibile aumentare le dimensioni del reattore. Questo fa si che non è possibile ottenere delle economie di scala con il processo usato da Smalley.
Il processo solare non soffre di queste limitazioni. L’unico limite è l’abilità del concentratore solare di trasmettere il flusso richiesto. La scarsa quantità di elettricità richiesta è, inoltre, un altro vantaggio sia economico e ecologico. Infine l’inutilità dell’uso di grafite conduttrice rende possibile l’uso di forme di grafite meno costose, comprese polveri di minerale di grafite.
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