Фуллереновые стручки

Peapods Одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ) привлекли значительный интерес после открытия C60. Одностенные углеродные нанотрубки создают пустое пространство, изолированное от внешних условий. Это большое внутреннее пространство может быть заполнено различными структурами, и молекулы могут быть введены путем снятия колпачка. Фуллерены являются наиболее подходящими молекулами для инкапсуляции из-за их подходящего диаметра. Такие одностенные углеродные нанотрубки, инкапсулирующие фуллерены, называются стручками фуллеренов. Физические свойства таких твердых тел сильно зависят от размерности сети. Поскольку фуллерен-стручки имеют смешанную сетевую размерность, они обладают очень интересными физическими свойствами. Обычно они синтезируются с использованием нанотрубок выбранного диаметра в качестве стручков. Исследования просвечивающей электронной микроскопии с высоким разрешением показывают, что цепи фуллерена высокой плотности внутри нанотрубок заполняют до 60% молекул C60 в среднем на макроскопическом уровне. Японская команда сообщила, что они заполнили нанотрубки металлофуллеренами - чистыми углеродными сферами, содержащими атомы металлов - в надежде на новый способ управления свойствами нанотрубок. Эта работа продемонстрировала новый способ использовать открытое пространство в трубах и, возможно, получить больший контроль над их свойствами. Исследователи из Университета Нагоя поместили бакиболлы C82, содержащие атомы гадолиния, внутрь нанотрубок, что изменило электронную структуру бакиболов. Инкапсуляция Некоторые молекулы, такие как фуллерены, эндоэдральные металлофуллерены или галогениды щелочных металлов, были успешно внедрены внутрь ОУНТ. Внутренние заполненные структуры могут изменять или улучшать механические и электронные свойства ОУНТ или могут позволить точную настройку этих параметров при обработке при относительно высоких температурах. Исследователи из Ульмского университета в Германии захватили отдельные атомы тяжелого металла диспрозия внутри полых фуллереновых сфер, состоящих из 82 атомов углерода, и заключили серию этих засеянных диспрозием клеток внутри одностенных углеродных нанотрубок, а фуллерены нанизали их вдоль нанотрубки, образующие стручок. Синтез Наиболее изученной структурой внутри ОСУНТ является фуллерен C60. Полученный материал называется горошком С60. Заливка осуществляется смешиванием C60 и SWCNT. Затем смесь откачивают и нагревают выше точки возгонки C60 в течение нескольких дней. Синтез стручка требует термической обработки ОСУНТ, и фуллерены склеиваются вместе под вакуумом, но этот метод не может быть принят для целей крупномасштабного производства. Также для производства стручков наиболее нежелательными примесями являются неизвестные фуллерены. Чтобы избавиться от неизвестного фуллерена из ОСНТ в одном типичном производственном процессе, сажу нагревают в вакууме, а затем сажу без фуллерена кипятят с обратным холодильником в водном растворе H2O2 для удаления частиц аморфного углерода. Наконец, очищенные ОУНТ формуют в тонкую черную бумагу, а затем сушат в вакууме. Поскольку обработка окислением разрушает шапки ОСНТ, а обработка HCl увеличивает дефекты на стенке, очищенные ОСНТ уже имеют достаточное количество входов для фуллеренов. Бумага SWNT помещается в кварцевую ампулу с порошком фуллерена (порошок C60 и C70 с чистотой 99% как источники фуллерена) и ампула вакуумируется. После сушки порошок фуллерена испаряется и превращается в пленку на бумаге SWNT. Ампулу запаивают и нагревают в печи до 650 ° C. После выдержки в течение двух часов ампулу охлаждают до комнатной температуры. Бумага SWNT обрабатывается ультразвуком в толуоле в течение 1 часа для удаления фуллеренов, нанесенных на поверхность SWNT. После фильтрации получают лист пергаментной бумаги. Затем бумагу из стручка нагревают в вакууме для удаления толуола. Подготовка проб Для низкотемпературного синтеза фуллереновых стручков коммерческий материал SWCNT готовится методом дугового разряда и очищается с использованием многократных высокотемпературных обработок воздухом и кислотной промывки. Материал ОСУНТ с низкой исходной чистотой очищают с помощью трехкратного повторения кипячения H2O2 и травления кислотой HCl. Затем материал фильтруется и дегазируется в динамическом вакууме. Могут быть применены два метода наполнения, соответствующие эффективному побочному эффекту открывания конца трубы при очистке SWCNT. Можно заполнить ОСУНТ другими фуллеренами, включая металлофуллерены и кластерфуллерены. Успех такой процедуры заполнения снова связан с распределением диаметров исходной SWCNT. Способы заполнения Заполнение паром Заполнение фуллеренов из паровой фазы путем наполнения паром включает герметизацию материала ОСУНТ с фуллереном в кварцевой ампуле после дегазации и выдерживания при немного повышенной температуре. Полученный материал обрабатывают ультразвуком в толуоле, чтобы удалить непрореагировавшие фуллерены, фильтруют и сушат из толуола в динамическом вакууме для удаления частиц непрореагировавшего фуллерена без заметного воздействия на стручки. Заполнение растворителем Заполнение фуллерена в ОСУНТ в н-гексане путем заполнения растворителем достигается при смешивании материала ОСУНТ с н-гексаном с C60 или C70. Полученные SWCNT материалы необходимо высушить, чтобы избежать попадания влаги. Динамическая вакуумная дегазация ОСУНТ имеет решающее значение для заполнения растворителем, так как промывка в воде предотвращает дальнейшее заполнение растворителем, вероятно, потому, что вода проникает в нанотрубки. Смесь ОСУНТ, фуллерена и н-гексана обрабатывают ультразвуком, что приводит к частичному растворению C60. Из раствора C60 нерастворенные смесь C60 и SWCNT затем кипятят с обратным холодильником и фильтрованные баки-бумаги сушат на воздухе. Не инкапсулированные C60, покрывающие баки-бумагу, удаляются с помощью вышеупомянутых двух методов обработки ультразвуком в толуоле или с помощью динамической вакуумной обработки. Использование Стручки фуллерена могут быть преобразованы в структуру двустенных углеродных нанотрубок (DWCNT) после высокотемпературного отжига. Фуллерены объединяются во внутреннюю нанотрубку, не влияя на электронные свойства, но значительно улучшая механические свойства системы трубок. Эта повышенная механическая стабильность делает DWCNT перспективными кандидатами для применения в будущей электронике, наконечниках зондов для сканирующей зондовой микроскопии, автоэмиссионных устройствах и многом другом. Было высказано предположение, что такие материалы, когда они доступны в более высоких концентрациях спинов, могут быть фундаментальными элементами квантовых вычислений. Превращение горошины, приготовленной в растворителе, в DWCNT с выходом, идентичным выходу материалов, приготовленных из паровой фазы, можно использовать для производства высокочистых и очень совершенных промышленных DWCNT. Фуллерены внутри нанотрубок могут быть сжаты под сильным давлением, так что молекулы заключены между ними, и эти экстремальные давления могут вызвать химические реакции, что делает их эффективными автоклавами. Стручки, содержащие металлофуллерены, демонстрируют модуляцию запрещенной зоны из-за переноса электронов от металлофуллеренов к углеродным нанотрубкам. Такие стручки были применены к полевым транзисторам с новыми свойствами устройства.