Gousses de fullerènes : encapsulation, synthèse et applications en nanotechnologie

Gousses de fullerènes

Les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) créent une cavité intérieure protégée qui peut être remplie de molécules telles que les fullerènes. Lorsque des C60 ou d'autres espèces de fullerènes sont encapsulées dans des SWCNT, l'hybride résultant est connu sous le nom de gousse de fullerène. Ces structures combinent les propriétés électroniques uniques des deux constituants et présentent un comportement physique dépendant de la dimensionalité.

Encapsulation

Les fullerènes, métallo-fullerènes endoédriques et halogénures alcalins ont tous été insérés avec succès dans les intérieurs de SWCNT. Les espèces encapsulées peuvent modifier ou améliorer les caractéristiques mécaniques et électroniques du tube hôte, et les propriétés peuvent être ajustées par des traitements thermiques postérieurs. Par exemple, des chercheurs de l'Université de Nagoya ont inséré des cages C82 dopées Gd dans des SWCNT, réalisant un décalage mesurable dans la structure électronique du buckyball.

Synthèse

La gousse la plus courante est la gousse C60. Sa fabrication implique typiquement le mélange de SWCNT purifiés avec de la poudre C60, l'évacuation du mélange, et le chauffage au-dessus du point de sublimation du C60 pendant plusieurs jours. Bien qu'efficace, cette méthode chaleur-vide n'est pas évolutive et peut introduire des impuretés de fullerènes indésirables.

Pour réduire les impuretés, un protocole de nettoyage typique chauffe la suie sous vide, puis refluxe la suie sans fullerène dans une solution H2O2 pour éliminer le carbone amorphe. Les SWCNT résultants, maintenant capsulés et riches en défauts, sont pressés en papier noir mince, séchés sous vide, et prêts pour le remplissage.

Préparation d'échantillon

Les SWCNT commerciaux dérivés de décharge d'arc sont purifiés par lavages répétés à l'air à haute température et acides, suivis de triple reflux H2O2 et gravure HCl. Après filtration et dégazage, le papier SWCNT est prêt pour le remplissage par vapeur ou solvant, selon l'espèce de fullerène désirée et la distribution de diamètres de tubes.

Méthodes de remplissage

Remplissage par vapeur

Les SWCNT et la poudre de fullerène sont scellés dans une ampoule de quartz, dégazés, et chauffés à une température modeste. Le produit est ensuite soniqué dans le toluène pour éliminer le fullerène non réagi, filtré, et séché sous vide dynamique.

Remplissage par solvant

Dans l'n-hexane, les SWCNT sont mélangés avec C60 ou C70. Après séchage pour éliminer l'humidité, le mélange est soniqué pour dissoudre partiellement le C60. La solution résultante est refluxée, filtrée, et le buckypaper résultant est lavé au toluène ou soumis au vide pour éliminer le fullerène lié en surface.

Applications

Lors d'un recuit haute température, les gousses de fullerènes se transforment en nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) alors que les fullerènes coalescent en un tube interne. Les DWCNT conservent les propriétés électroniques de l'hôte tout en offrant une résistance mécanique supérieure, les rendant attractifs pour dispositifs électroniques, pointes de sonde à balayage, cathodes à émission de champ, et éléments potentiels de calcul quantique.

Les gousses contenant des métallo-fullerènes présentent une modulation de bande interdite due au transfert d'électrons entre le noyau métallique et l'hôte carbone, permettant de nouveaux designs de transistors à effet de champ. Sous pression extrême, les gousses peuvent agir comme micro-autoclaves, favorisant des réactions dans des espaces confinés.