Peapods Fulerenos

Peapods Nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) atraíram considerável interesse após a descoberta do C60. Os nanotubos de carbono de parede única fornecem um espaço vazio isolado das condições externas. Este grande espaço interno pode ser preenchido com diferentes estruturas e moléculas podem ser introduzidas por desbloqueio. Os fulerenos são as moléculas mais favoráveis ​​para o encapsulamento por causa de seus diâmetros de ajuste. Esses nanotubos de carbono de parede única encapsulando fulerenos são chamados de peapodes de fulereno. As propriedades físicas de tais sólidos dependem fortemente da dimensionalidade de uma rede. Uma vez que os fulerenos-peapods têm dimensionalidade de rede mista, eles têm propriedades físicas muito interessantes. Normalmente, eles são sintetizados usando nanotubos de diâmetro selecionado como vagens. Estudos de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução revelam que as cadeias de fulereno de alta densidade dentro dos nanotubos preenchem 60% das moléculas C60 em uma média macroscópica. Uma equipe japonesa relatou que eles encheram nanotubos com metalofulerenos - esferas de carbono puro envolvendo átomos de metal - na esperança de uma nova maneira de controlar as propriedades dos nanotubos. Este trabalho demonstrou uma nova forma de explorar o espaço aberto nos tubos e, possivelmente, obter mais controle sobre suas propriedades. Pesquisadores da Universidade de Nagoya colocaram fulerenos C82 contendo átomos de gadolínio dentro de nanotubos que mudaram a estrutura eletrônica dos fulerenos. Encapsulamento Várias moléculas como fulerenos, metalofulerenos endoédricos ou haletos alcalinos foram inseridos com sucesso no interior de SWCNTs. As estruturas preenchidas no interior podem alterar ou aprimorar as propriedades mecânicas e eletrônicas dos SWCNTs ou podem permitir o ajuste fino desses parâmetros quando tratados em temperaturas relativamente altas. Pesquisadores da Universidade de Ulm, na Alemanha, prenderam átomos individuais do disprósio de metal pesado dentro de esferas ocas de fulereno compostas de 82 átomos de carbono e envolveram uma série dessas gaiolas semeadas de disprósio dentro de nanotubos de carbono de parede única, com os fulerenos amarrando-os ao longo do peapod formador de nanotubos. Síntese A estrutura mais estudada dentro do SWCNT é o fulereno C60. O material resultante é denominado peapod C60. O enchimento é realizado pela mistura de C60 e SWCNT. A mistura é subsequentemente evacuada e aquecida acima do ponto de sublimação de C60 por vários dias. A síntese peapod requer o tratamento térmico de SWCNT e fulerenos são selados sob vácuo, mas este método não pode ser adotado para fins de produção em larga escala. Também para a produção de ervilhas, os fulerenos desconhecidos são as impurezas mais indesejáveis. Para se livrar do fulereno desconhecido de SWNTs em um processo de produção típico, a fuligem é aquecida no vácuo e, em seguida, a fuligem livre de fulereno é refluxada em solução aquosa de H2O2 para remover as partículas amorfas de carbono. Finalmente, os SWNTs purificados são formados em papel preto fino e, em seguida, secos em vácuo. Uma vez que o tratamento de oxidação destrói os limites dos SWNTs e o tratamento com HCl aumenta os defeitos na parede, os SWNTs purificados já têm um número suficiente de entradas para fulerenos. Um papel SWNT é colocado em uma ampola de quartzo com pó de fulereno (pó C60 e C70 com pureza de 99% como fontes de fulereno) e a ampola é evacuada. Após o processo de secagem, o pó de fulereno é evaporado e transformado em um filme no papel SWNT. A ampola é selada e aquecida em um forno a 650 ° C. Depois de manter a temperatura por duas horas, a ampola é resfriada até a temperatura ambiente. O papel SWNT é sonicado em tolueno por 1 hora para remover fulerenos revestidos na superfície de SWNTs. Após a filtração, obtém-se uma folha de papel peapod. Em seguida, o papel peapod é aquecido em vácuo para remover o tolueno. Preparação da amostra Para a síntese de fulereno em baixa temperatura, o material comercial SWCNT é preparado pelo método de descarga a arco e é purificado usando tratamentos repetidos de lavagem com ar e ácido em alta temperatura. O material SWCNT com baixa pureza inicial é purificado com uma repetição tripla de refluxo de H2O2 e ataque ácido de HCl. O material é então filtrado e desgaseificado em vácuo dinâmico. Podem ser adotados dois métodos de enchimento consistentes com o efeito colateral de abertura da extremidade do tubo eficaz da purificação SWCNT. É possível preencher SWCNT com outros fulerenos, incluindo metalofullerenos e clusterfullerenos. O sucesso de tal procedimento de enchimento está relacionado novamente à distribuição do diâmetro do SWCNT inicial. Métodos de enchimento Preenchimento de vapor Para preencher fulerenos da fase de vapor por enchimento de vapor envolve a selagem do material SWCNT com o fulereno em uma ampola de quartzo após a desgaseificação e manutenção em temperatura ligeiramente elevada. O material resultante é sonicado em tolueno a fim de remover fulerenos não reagidos, filtrado e seco do tolueno em vácuo dinâmico para remover partículas de fulereno não reagido sem um efeito observável nos peapods. Preenchimento com solvente O enchimento de fulereno em SWCNT em n-hexano por enchimento com solvente é obtido com a mistura do material SWCNT com n-hexano com C60 ou C70. Os materiais SWCNT recebidos devem ser secos para mantê-los longe da umidade. A desgaseificação a vácuo dinâmica do SWCNT é crucial para o preenchimento com solvente, pois enxágue-o com água impede qualquer capacidade de preenchimento com solvente adicional, provavelmente porque a água entra nos nanotubos. A mistura de SWCNT, fulereno e n-hexano é sonicada resultando na dissolução parcial de C60. A partir da solução C60, o C60 não dissolvido e a mistura SWCNT são então refluxados e os papéis de bucky filtrados são secos ao ar. C60 que não são encapsulados que cobrem o papel de bucky são removidos com os dois métodos acima mencionados de sonicação em tolueno ou por tratamento a vácuo dinâmico. Usos Os peapods fulerenos podem ser transformados em uma estrutura de nanotubo de carbono de parede dupla (DWCNT) após o recozimento de alta temperatura. Os fulerenos se aglutinam em um nanotubo interno sem afetar as propriedades eletrônicas, mas aumentando significativamente as propriedades mecânicas do sistema de tubos. Esta estabilidade mecânica aprimorada torna os DWCNTs candidatos promissores para aplicações na eletrônica do futuro, pontas de sondas para microscopia de sondas de varredura, dispositivos de emissão de campo e muito mais. Especula-se que tais materiais, quando disponíveis em concentrações de spin mais altas, podem ser elementos fundamentais da computação quântica. A transformação de peapod preparado com solvente em DWCNT com um rendimento idêntico ao dos materiais preparados com vapor pode ser usada para a produção de DWCNT industrial de alta pureza e altamente perfeito. Os fulerenos dentro dos nanotubos podem ser comprimidos por uma forte pressão de modo que as moléculas fiquem fechadas e as reações químicas podem ser induzidas por essas pressões extremas, tornando os peapods autoclaves eficazes. Peapods envolvendo metalofulerenos exibem a modulação bandgap devido à transferência de elétrons de metalofulerenos para nanotubos de carbono. Esses peapods foram aplicados ao FET com novas propriedades de dispositivo.