Peapods fullerenos

Peapods Los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) han atraído un interés considerable después del descubrimiento de C60. Los nanotubos de carbono de pared simple proporcionan un espacio vacío aislado de las condiciones externas. Este gran espacio interno se puede llenar con diferentes estructuras y se pueden introducir moléculas mediante el destapado. Los fullerenos son las moléculas más favorables para la encapsulación debido a sus diámetros de ajuste. Estos nanotubos de carbono de pared simple que encapsulan fullerenos se denominan peapods de fullereno. Las propiedades físicas de tales sólidos dependen en gran medida de la dimensionalidad de la red. Dado que los fullereno-peapods tienen una dimensionalidad de red mixta, tienen propiedades físicas muy interesantes. Por lo general, se sintetizan utilizando nanotubos de diámetro seleccionado como vainas. Los estudios de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución revelan que las cadenas de fullereno de alta densidad dentro de los nanotubos llenan hasta el 60% de las moléculas de C60 en un promedio macroscópico. Un equipo japonés ha informado que han llenado nanotubos con metalofullerenos, esferas de carbono puro que encierran átomos de metal, con la esperanza de encontrar una nueva forma de controlar las propiedades de los nanotubos. Este trabajo demostró una nueva forma de explotar el espacio abierto en los tubos y posiblemente ganar más control sobre sus propiedades. Investigadores de la Universidad de Nagoya colocaron buckybolas C82 que contienen átomos de gadolinio dentro de nanotubos que cambiaron la estructura electrónica de las buckybolas. Encapsulación Varias moléculas como fullerenos, metalofullerenos endoédricos o haluros alcalinos se han insertado con éxito en el interior de SWCNT. Las estructuras internas rellenas pueden alterar o mejorar las propiedades mecánicas y electrónicas de los SWCNT o pueden permitir el ajuste fino de estos parámetros cuando se tratan a temperaturas relativamente altas. Investigadores de la Universidad de Ulm en Alemania atraparon átomos individuales del disprosio de metal pesado dentro de esferas huecas de fullereno formadas por 82 átomos de carbono, y encerraron una serie de estas jaulas sembradas con disprosio dentro de nanotubos de carbono de pared simple, con los fullerenos colocándolos a lo largo del Peapod formador de nanotubos. Síntesis La estructura más estudiada dentro de SWCNT es el fullereno C60. El material resultante se llama peapod C60. El llenado se realiza mezclando C60 y SWCNT. Posteriormente, la mezcla se evacua y se calienta por encima del punto de sublimación de C60 durante varios días. La síntesis de peapod requiere el tratamiento térmico de SWCNT y los fullerenos se sellan juntos al vacío, pero este método no se puede adoptar para fines de producción a gran escala. También para la producción de guisantes, los fullerenos desconocidos son las impurezas más indeseables. Para eliminar el fullereno desconocido de los SWNT en un proceso de producción típico, el hollín se calienta al vacío y luego el hollín sin fullereno se somete a reflujo en una solución acuosa de H2O2 para eliminar las partículas de carbono amorfo. Finalmente, los SWNT purificados se forman en papel negro fino y luego se secan al vacío. Dado que el tratamiento de oxidación destruye las tapas de los SWNT y el tratamiento con HCl aumenta los defectos en la pared, los SWNT purificados ya tienen un número suficiente de entradas para los fullerenos. Se coloca un papel SWNT en una ampolla de cuarzo con polvo de fullereno (polvo C60 y C70 con una pureza del 99% como fuentes de fullereno) y se evacua la ampolla. Después del proceso de secado, el polvo de fullereno se evapora y se convierte en una película sobre el papel SWNT. La ampolla se sella y se calienta en un horno hasta 650 ° C. Después de mantener la temperatura durante dos horas, la ampolla se enfría a temperatura ambiente. El papel SWNT se somete a ultrasonidos en tolueno durante 1 hora para eliminar los fullerenos que recubren la superficie de los SWNT. Después de la filtración se obtiene una hoja de papel peapod. Luego, el papel peapod se calienta al vacío para eliminar el tolueno. Preparación de muestras Para la síntesis a baja temperatura de peapods de fullereno, el material SWCNT comercial se prepara mediante el método de descarga por arco y se purifica utilizando tratamientos repetidos de lavado con aire y ácido a alta temperatura. El material SWCNT con baja pureza inicial se purifica con una triple repetición de reflujo de H2O2 y grabado ácido con HCl. Luego, el material se filtra y desgasifica en vacío dinámico. Se pueden adoptar dos métodos de llenado consistentes con el efecto secundario efectivo de apertura del extremo del tubo de la purificación SWCNT. Es posible llenar SWCNT con otros fullerenos, incluidos metalofullerenos y clusterfullerenos. El éxito de un procedimiento de llenado de este tipo está relacionado nuevamente con la distribución del diámetro del SWCNT inicial. Métodos de llenado Llenado de vapor Para llenar los fullerenos a partir de la fase de vapor mediante el llenado de vapor implica sellar el material SWCNT con el fullereno en una ampolla de cuarzo después de desgasificar y mantener a una temperatura ligeramente elevada. El material resultante se somete a ultrasonidos en tolueno para eliminar los fullerenos que no han reaccionado, se filtra y se seca a partir de tolueno en vacío dinámico para eliminar las partículas de fullereno que no reaccionan sin un efecto observable sobre los peapods. Relleno con disolvente El llenado de fullereno en SWCNT en n-hexano mediante llenado de solvente se logra mezclando el material SWCNT con n-hexano con C60 o C70. Los materiales SWCNT recibidos deben secarse para mantenerlos alejados de la humedad. La desgasificación dinámica al vacío del SWCNT es crucial para el llenado de disolvente, ya que enjuagarlo con agua evita que se llene con disolvente, probablemente porque el agua entra en los nanotubos. La mezcla de SWCNT, fullereno y n-hexano se sonica dando como resultado la disolución parcial de C60. A partir de la solución de C60, la mezcla de C60 y SWCNT sin disolver se calienta a reflujo y los papeles bucky filtrados se secan al aire. Los C60 que no están encapsulados que recubren el papel bucky se eliminan con los dos métodos mencionados anteriormente de sonicación en tolueno o mediante tratamiento dinámico al vacío. Usos Los peapods fullerenos se pueden transformar en una estructura de nanotubos de carbono de doble pared (DWCNT) después del recocido a alta temperatura. Los fullerenos se fusionan en un nanotubo interno sin afectar las propiedades electrónicas, pero mejorando significativamente las propiedades mecánicas del sistema de tubos. Esta estabilidad mecánica mejorada hace que los DWCNT sean candidatos prometedores para aplicaciones en electrónica futura, puntas de sonda para microscopía de sonda de barrido, dispositivos de emisión de campo y muchos más. Se ha especulado que tales materiales, cuando están disponibles en concentraciones de espín más altas, pueden ser elementos fundamentales de la computación cuántica. La transformación de peapod preparado con disolvente en DWCNT con un rendimiento idéntico al de los materiales preparados con vapor se puede utilizar para la producción de DWCNT industrial de alta pureza y perfección. Los fullerenos dentro de los nanotubos se pueden comprimir mediante una fuerte presión de modo que las moléculas queden encerradas en el medio y estas presiones extremas pueden inducir reacciones químicas, lo que hace que los peapods sean autoclaves eficaces. Los peapods que contienen metalo-fullerenos exhiben la modulación de banda prohibida debido a la transferencia de electrones de los metalofullerenos a los nanotubos de carbono. Estos peapods se han aplicado a FET con propiedades de dispositivo novedosas.