Vagens de Fullereno: Encapsulação, Síntese e Aplicações em Nanotecnologia

Vagens de Fullereno

Nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) criam cavidade interna protegida que pode ser preenchida com moléculas como fulerenos. Quando C60 ou outras espécies de fulereno são encapsuladas dentro de SWNTs, o híbrido resultante é conhecido como vagem de fullereno. Estas estruturas combinam propriedades eletrônicas únicas de ambos constituintes e exibem comportamento físico dependente de dimensionalidade.

Encapsulação

Fulerenos, metalofulerenos endoédricos e haletos de álcalis foram todos inseridos com sucesso em interiores de SWNTs. Espécies encapsuladas podem modificar ou aprimorar características mecânicas e eletrônicas do tubo hospedeiro, e propriedades podem ser ajustadas por pós-tratamentos térmicos. Por exemplo, pesquisadores da Universidade de Nagoya inseriram gaiolas C82 dopadas com Gd em SWNTs, alcançando deslocamento mensurável na estrutura eletrônica do buckyball.

Síntese

Vagem mais comum é a de C60. Sua fabricação tipicamente envolve misturar SWNTs purificados com pó de C60, evacuar mistura e aquecer acima do ponto de sublimação do C60 por vários dias. Embora efetivo, este método vácuo-calor não é escalável e pode introduzir impurezas de fullereno indesejadas.

Para reduzir impurezas, protocolo típico de limpeza aquece fuligem em vácuo, depois refluxa fuligem livre de fullereno em solução H₂O₂ para remover carbono amorfo. SWNTs resultantes, agora tampados e ricos em defeitos, são prensados em papel preto fino, secos sob vácuo, e prontos para enchimento.

Preparação de Amostra

SWCNTs comerciais derivados de descarga a arco são purificados por lavagens repetidas de ar e ácido em alta temperatura, seguidas por refluxo triplo de H₂O₂ e gravação com HCl. Após filtração e desgasificação, papel de SWNT está pronto para enchimento por vapor ou solvente, dependendo da espécie de fullereno e distribuição de diâmetro do tubo desejados.

Métodos de Enchimento

Enchimento por Vapor

SWNTs e pó de fullereno selados em ampola de quartzo, desgasificados, e aquecidos a temperatura modesta. Produto então sonicado em tolueno para remover fullereno não reagido, filtrado, e seco sob vácuo dinâmico.

Enchimento por Solvente

Em n-hexano, SWNTs misturados com C60 ou C70. Após secagem para eliminar umidade, mistura sonicada para dissolver parcialmente C60. Solução resultante refluxada, filtrada, e buckypaper resultante lavado com tolueno ou submetido a vácuo para eliminar fullereno ligado à superfície.

Aplicações

Sob recozimento alta-temperatura, vagens de fullereno transformam-se em nanotubos de carbono de parede dupla (DWCNTs) conforme fulerenos coalescem em tubo interno. DWCNTs retêm propriedades eletrônicas do hospedeiro enquanto oferecem resistência mecânica superior, tornando-os atraentes para dispositivos eletrônicos, pontas de sonda de varredura, catodos de emissão de campo e potenciais elementos de computação quântica.

Vagens contendo metalofulerenos exibem modulação de banda proibida devido a transferência de elétrons entre núcleo metálico e hospedeiro de carbono, permitindo novos designs de transistores de efeito de campo. Sob pressão extrema, vagens atuam como micro-autoclaves, promovendo reações em espaços confinados.