Фуллереновые горошины: инкапсуляция, синтез и применения в нанотехнологии

Фуллереновые горошины

Однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT) создают защищенную внутреннюю полость, которую можно заполнить молекулами таких как фуллерены. Когда C₆₀ или другие фуллереновые виды инкапсулируются внутри SWCNT, получившийся гибрид называется фуллереновой горошиной. Эти структуры комбинируют уникальные электронные свойства обоих компонентов и демонстрируют размерозависимое физическое поведение.

Инкапсуляция

Фуллерены, эндогедральные металлофуллерены и щелочные галогиды все были успешно вставлены в интерьоры SWCNT. Инкапсулированные виды могут модифицировать или усиливать механические и электронные характеристики хозяинской трубки, и свойства могут быть настроены термическими пост-обработками. Например, исследователи Нагоянского университета вставили Gd-легированные C₈₂ клетки в SWCNT, достигнув измеримого сдвига в электронной структуре баккмистера.

Синтез

Наиболее распространенной горошиной является C₆₀ горошина. Ее фabрикация обычно включает смешивание очищенных SWCNT с порошком C₆₀, выкачивание смеси и нагревание выше точки сублимации C₆₀ на несколько дней. Хотя эффективно, этот вакуумно-термический метод не масштабируем и может вводить нежелательные фуллереновые примеси.

Для снижения примеси типичный протокол очистки нагревает сажу в вакууме, затем рефлюксует фуллерен-свободную сажу в H₂O₂ растворе для удаления аморфного углерода. Полученные SWCNT, теперь заглушенные и дефект-насыщенные, прессуются в тонкую черную бумагу, сушатся под вакуумом и готовы к заполнению.

Подготовка образца

Коммерческие SWCNT из дугового разряда очищаются повторными высокотемпературными воздушными и кислотными мойками, тройным H₂O₂ рефлюксированием и HCl травлением. После фильтрации и дегазации SWCNT бумага готова для парового или растворительного заполнения, в зависимости от желаемого фуллеренового вида и распределения диаметров трубок.

Методы заполнения

Паровое заполнение

SWCNT и фуллереновый порошок запечатываются в кварцевой ампуле, выкачиваются и нагреваются при умеренной температуре. Продукт затем соницируется в толуене для удаления нереагировавшего фуллерена, фильтруется и сушится под динамическим вакуумом.

Растворительное заполнение

В n-гексане SWCNT смешиваются с C₆₀ или C₇₀. После сушки для устранения влаги смесь соницируется для частичного растворения C₆₀. Полученный раствор рефлюксуется, фильтруется, и получившийся бакпапер моется толуеном или подвергается вакууму для устранения поверхностно-связанного фуллерена.

Применения

При высокотемпературном отжиге фуллереновые горошины трансформируются в двухслойные углеродные нанотрубки (DWCNT), так как фуллерены коалесцируют в внутреннюю трубку. DWCNT сохраняют электронные свойства хозяина, предлагая превосходную механическую прочность, делая их привлекательными для электронных устройств, зондовых кончиков сканирующих проб, полевых эмиссионных катодов и потенциальных квантово-вычислительных элементов.

Горошины, содержащие металлофуллерены, демонстрируют модуляцию запрещенной зоны из-за электронного переноса между металлическим ядром и углеродным хозяином, позволяя новые дизайны полевых транзисторов. Под экстремальным давлением горошины могут действовать как микро-автоклавы, способствуя реакциям в замкнутых пространствах.