Pepods fullerène

Peapods Les nanotubes de carbone à paroi unique (SWNT) ont suscité un intérêt considérable après la découverte du C60. Les nanotubes de carbone à paroi simple fournissent un espace vide isolé des conditions extérieures. Ce grand espace interne peut être rempli de différentes structures et des molécules peuvent être introduites par décapsulage. Les fullerènes sont les molécules les plus favorables à l'encapsulation en raison de leurs diamètres d'ajustement. De tels nanotubes de carbone à paroi unique encapsulant des fullerènes sont appelés peapods de fullerène. Les propriétés physiques de tels solides dépendent fortement d'une dimensionnalité du réseau. Étant donné que les fullerène-peapods ont une dimensionnalité de réseau mixte, ils ont des propriétés physiques très intéressantes. Habituellement, ils sont synthétisés en utilisant des nanotubes de diamètre sélectionné comme dosettes. Des études de microscopie électronique à transmission à haute résolution révèlent que les chaînes de fullerène à haute densité à l'intérieur des nanotubes remplissent jusqu'à 60% des molécules C60 dans une moyenne macroscopique. Une équipe japonaise a signalé avoir rempli des nanotubes de métallofullerènes - des sphères de carbone pur renfermant des atomes de métal - dans l'espoir de trouver une nouvelle façon de contrôler les propriétés des nanotubes. Ce travail a démontré une nouvelle façon d'exploiter l'espace ouvert dans les tubes et peut-être de mieux contrôler leurs propriétés. Des chercheurs de l'université de Nagoya ont placé des buckyballs C82 contenant des atomes de gadolinium à l'intérieur de nanotubes, ce qui a modifié la structure électronique des buckyballs.Encapsulation Plusieurs molécules telles que les fullerènes, les métallofullerènes endoédriques ou les halogénures alcalins ont été insérées avec succès à l'intérieur des SWCNT. Les structures remplies à l'intérieur peuvent modifier ou améliorer les propriétés mécaniques et électroniques des SWCNT ou peuvent permettre le réglage fin de ces paramètres lorsqu'ils sont traités à des températures relativement élevées. Des chercheurs de l'Université d'Ulm en Allemagne ont piégé des atomes uniques de dysprosium de métal lourd dans des sphères creuses de fullerènes composées de 82 atomes de carbone, et ont enfermé une série de ces cages ensemencées de dysprosium dans des nanotubes de carbone à paroi unique, les fullerènes les enfilant le long du nanotube formant peapod.Synthèse La structure la plus étudiée à l'intérieur de SWCNT est le fullerène C60. Le matériau résultant est appelé un peapod C60. Le remplissage est réalisé par mélange de C60 et SWCNT. Le mélange est ensuite évacué et chauffé au-dessus du point de sublimation de C60 pendant plusieurs jours. La synthèse du peapod nécessite le traitement thermique des SWCNT et les fullerènes sont scellés ensemble sous vide, mais cette méthode ne peut pas être adoptée à des fins de production à grande échelle. Également pour la production de peapods, les fullerènes inconnus sont les impuretés les plus indésirables. Pour se débarrasser du fullerène inconnu des SWNT dans un processus de production typique, la suie est chauffée sous vide, puis la suie sans fullerène est chauffée au reflux dans une solution d'eau H2O2 pour éliminer les particules de carbone amorphe. Enfin, les SWNT purifiés sont formés en papier noir mince puis séchés sous vide. Étant donné que le traitement d'oxydation détruit les capuchons des SWNT et que le traitement au HCl augmente les défauts sur la paroi, les SWNT purifiés ont déjà un nombre suffisant d'entrées pour les fullerènes. Un papier SWNT est mis dans une ampoule de quartz avec de la poudre de fullerène (poudre C60 et C70 à 99 % de pureté en tant que sources de fullerène) et l'ampoule est évacuée. Après le processus de séchage, la poudre de fullerène est évaporée et transformée en un film sur le papier SWNT. L'ampoule est scellée et chauffée dans un four jusqu'à 650 °C. Après maintien à température pendant deux heures, l'ampoule est refroidie à température ambiante. Le papier SWNT est soniqué dans du toluène pendant 1 heure pour éliminer les fullerènes appliqués sur la surface des SWNT. Après filtration, on obtient une feuille de papier peapod. Ensuite, le papier peapod est chauffé sous vide pour éliminer le toluène. Préparation de l'échantillon Pour la synthèse à basse température des pois de fullerène, le matériau SWCNT commercial est préparé par la méthode de décharge à l'arc et est purifié à l'aide de traitements répétés de lavage à l'air et à l'acide à haute température. Le matériau SWCNT de faible pureté initiale est purifié avec une triple répétition de reflux H2O2 et d'attaque acide HCl. Le matériau est ensuite filtré et dégazé sous vide dynamique. Deux méthodes de remplissage compatibles avec l'effet secondaire efficace de l'ouverture de l'extrémité du tube de la purification SWCNT peuvent être adoptées. Il est possible de remplir SWCNT avec d'autres fullerènes, y compris des métallofullerènes et des clusterfullerènes. Le succès d'une telle procédure de remplissage est à nouveau lié à la distribution des diamètres du SWCNT de départ.Méthodes de remplissage Remplissage de vapeur Le remplissage de fullerènes à partir de la phase vapeur par remplissage de vapeur implique le scellement du matériau SWCNT avec le fullerène dans une ampoule de quartz après dégazage et maintien à une température légèrement élevée. Le matériau résultant est soniqué dans du toluène afin d'éliminer les fullerènes n'ayant pas réagi, filtré et séché du toluène sous vide dynamique pour éliminer les particules de fullerène n'ayant pas réagi sans effet observable sur les pois.Remplissage de solvant Le remplissage de fullerène dans SWCNT dans du n-hexane par remplissage de solvant est obtenu en mélangeant le matériau SWCNT avec du n-hexane avec C60 ou C70. Les matériaux SWCNT tels que reçus doivent être séchés pour les protéger de l'humidité. Le dégazage dynamique sous vide du SWCNT est crucial pour le remplissage du solvant, car son rinçage à l'eau empêche toute autre capacité de remplissage du solvant, probablement parce que l'eau pénètre dans les nanotubes. Le mélange SWCNT, fullerène et n-hexane est soniqué, ce qui entraîne la dissolution partielle de C60. A partir de la solution de C60, le mélange de C60 et de SWCNT non dissous est ensuite chauffé au reflux et des papiers Bucky filtrés sont séchés à l'air. Les C60 qui ne sont pas encapsulés et qui recouvrent le papier bucky sont éliminés avec les deux méthodes mentionnées ci-dessus de sonication dans le toluène ou par traitement sous vide dynamique.Utilisations Les peapods de fullerène peuvent être transformés en une structure de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) après recuit à haute température. Les fullerènes fusionnent dans un nanotube interne sans affecter les propriétés électroniques mais améliorant considérablement les propriétés mécaniques du système de tube. Cette stabilité mécanique améliorée fait des DWCNT des candidats prometteurs pour des applications dans l'électronique future, des pointes de sonde pour la microscopie à sonde à balayage, des dispositifs d'émission de champ et bien d'autres. Il a été supposé que de tels matériaux, lorsqu'ils sont disponibles dans des concentrations de spin plus élevées, peuvent être des éléments fondamentaux de l'informatique quantique. La transformation du peapod préparé au solvant en DWCNT avec un rendement identique à celui des matériaux préparés à la vapeur peut être utilisée pour la production de DWCNT industriel de haute pureté et très parfait. Les fullerènes à l'intérieur des nanotubes peuvent être comprimés par une forte pression de sorte que les molécules sont enfermées entre les deux et des réactions chimiques peuvent être induites par ces pressions extrêmes, faisant des peapods des autoclaves efficaces. Les pois contenant des métallofullerènes présentent la modulation de la bande interdite due au transfert d'électrons des métallofullerènes aux nanotubes de carbone. De tels peapods ont été appliqués au FET avec de nouvelles propriétés de périphérique.