Vainas de fullereno: Encapsulación, síntesis y aplicaciones en nanotecnología

Vainas de fullereno (Fullerene Peapods)

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) crean una cavidad interior protegida que puede llenarse con moléculas como fullerenos. Cuando C60 u otras especies de fullereno se encapsulan dentro de SWNT, el híbrido resultante se conoce como vaina de fullereno (fullerene peapod). Estas estructuras combinan las propiedades electrónicas únicas de ambos componentes y exhiben comportamiento físico dependiente de la dimensionalidad.

Encapsulación

Fullerenos, metalofullerenos endohedrales y haluros de metales alcalinos han sido insertados exitosamente en interiores de SWNT. Las especies encapsuladas pueden modificar o mejorar las características mecánicas y electrónicas del tubo huésped, y las propiedades pueden ajustarse con post-tratamientos térmicos. Por ejemplo, investigadores de la Universidad de Nagoya insertaron jaulas C82 dopadas con Gd en SWNT, logrando un desplazamiento medible en la estructura electrónica del buckyball.

Síntesis

La vaina más común es la de C60. Su fabricación típicamente implica mezclar SWNT purificados con polvo de C60, evacuar la mezcla y calentarla por encima del punto de sublimación del C60 por varios días. Aunque efectivo, este método calor-vacío no es escalable y puede introducir impurezas de fullereno no deseadas.

Para reducir impurezas, un protocolo típico de limpieza calienta hollín en vacío, luego reflujos el hollín libre de fullereno en solución de H₂O₂ para remover carbono amorfo. Los SWNT resultantes, ahora tapados y ricos en defectos, se prensan en papel negro delgado, se secan bajo vacío y están listos para llenado.

Preparación de muestra

SWCNT comerciales derivados de descarga de arco se purifican por lavados repetidos de aire y ácido a alta temperatura, seguidos de triple reflujos H₂O₂ y grabado HCl. Tras filtración y desgasificación, el papel de SWNT está listo para llenado por vapor o solvente, dependiendo de la especie de fullereno y distribución de diámetro de tubo deseada.

Métodos de llenado

Llenado por vapor

SWNT y polvo de fullereno se sellan en ampolla de cuarzo, desgasifican y calientan a temperatura moderada. El producto se sonica en tolueno para remover fullereno no reaccionado, filtra y seca bajo vacío dinámico.

Llenado por solvente

En n-hexano, SWNT se mezclan con C60 o C70. Tras secar para eliminar humedad, la mezcla se sonica para disolver parcialmente C60. La solución resultante se refluye, filtra y el buckypaper resultante se lava con tolueno o se somete a vacío para eliminar fullereno unido a superficie.

Aplicaciones

Al recocido a alta temperatura, las vainas de fullereno se transforman en nanotubos de carbono de doble pared (DWCNT) al coalescer los fullerenos en un tubo interno. Los DWCNT retienen propiedades electrónicas del huésped mientras ofrecen resistencia mecánica superior, atrayentes para dispositivos electrónicos, puntas de sonda de barrido, cátodos de emisión de campo y potenciales elementos de computación cuántica.

Vainas conteniendo metalofullerenos exhiben modulación de banda prohibida por transferencia de electrones entre núcleo metálico y huésped de carbono, permitiendo diseños novedosos de transistores de efecto de campo. Bajo presión extrema, las vainas pueden actuar como micro-autoclaves, promoviendo reacciones en espacios confinados.