Fullerene erwten

Peapods Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNT's) hebben veel belangstelling getrokken na de ontdekking van C60. Enkelwandige koolstofnanobuizen zorgen voor een lege ruimte die is geïsoleerd van externe omstandigheden. Deze grote interne ruimte kan worden gevuld met verschillende structuren en moleculen kunnen worden ingebracht door decapping. Fullerenen zijn de meest gunstige moleculen voor inkapseling vanwege hun passende diameters. Dergelijke enkelwandige koolstofnanobuisjes waarin fullerenen zijn ingekapseld, worden fullereen-peapods genoemd. De fysieke eigenschappen van dergelijke vaste stoffen zijn sterk afhankelijk van de dimensionaliteit van een netwerk. Omdat fullereen-peapods een gemengde netwerkdimensionaliteit hebben, hebben ze zeer interessante fysieke eigenschappen. Gewoonlijk worden ze gesynthetiseerd door nanobuisjes met een geselecteerde diameter als peulen te gebruiken. Transmissie-elektronenmicroscopie-onderzoeken met hoge resolutie laten zien dat fullereenketens met hoge dichtheid in nanobuisjes macroscopisch tot 60% van de C60-moleculen vullen. Een Japans team heeft gemeld dat ze nanobuisjes hebben gevuld met metallofullerenen - pure koolstofbollen die metaalatomen omsluiten - in de hoop op een nieuwe manier om de eigenschappen van nanobuisjes te controleren. Dit werk demonstreerde een nieuwe manier om de open ruimte in de buizen te exploiteren en mogelijk meer controle te krijgen over hun eigenschappen. Onderzoekers van de Universiteit van Nagoya plaatsten C82 buckyballs die gadoliniumatomen bevatten in nanobuisjes, wat de elektronische structuur van buckyballs veranderde.Inkapseling Verschillende moleculen zoals fullerenen, endohedrale metallofullerenen of alkalihalogeniden zijn met succes in het inwendige van SWCNT's ingebracht. De binnen gevulde structuren kunnen de mechanische en elektronische eigenschappen van de SWCNT's veranderen of verbeteren of kunnen de fijnafstemming van deze parameters mogelijk maken wanneer ze bij relatief hoge temperaturen worden behandeld. Onderzoekers van de Universiteit van Ulm in Duitsland hebben afzonderlijke atomen van het zware metaal dysprosium gevangen in holle fullereen bollen bestaande uit 82 koolstofatomen, en een reeks van deze met dysprosium bezaaide kooien ingesloten in enkelwandige koolstofnanobuisjes, waarbij de fullerenen ze langs de nanobuisjes vormende erwt.Synthese De meest bestudeerde structuur binnen SWCNT is de C60 fullereen. Het resulterende materiaal wordt een C60 peapod genoemd. De vulling wordt uitgevoerd door C60 en SWCNT te mengen. Het mengsel wordt vervolgens geëvacueerd en enkele dagen boven het sublimatiepunt van C60 verwarmd. De peapod-synthese vereist de warmtebehandeling van SWCNT en fullerenen worden onder vacuüm aan elkaar geseald, maar deze methode kan niet worden toegepast voor grootschalige productiedoeleinden. Ook voor de erwtproductie zijn onbekende fullerenen de meest ongewenste onzuiverheden. Om onbekend fullereen uit SWNT's te verwijderen in een typisch productieproces, wordt roet in vacuüm verwarmd en vervolgens wordt het fullereenvrije roet gerefluxt in een H2O2-wateroplossing om amorfe koolstofdeeltjes te verwijderen. Ten slotte worden de gezuiverde SWNT's gevormd tot dun zwart papier en vervolgens in vacuüm gedroogd. Omdat de oxidatiebehandeling de kapjes van SWNT's vernietigt en HCl-behandeling de defecten aan de wand vergroot, hebben de gezuiverde SWNT's al voldoende ingangen voor fullerenen. Een SWNT-papier wordt in een kwartsampul met fullereenpoeder (C60- en C70-poeder met een zuiverheid van 99% als fullereenbronnen) gedaan en de ampul wordt geëvacueerd. Na het droogproces wordt fullereenpoeder verdampt en op het SWNT-papier tot een film gemaakt. De ampul wordt afgesloten en verwarmd in een oven tot 650 °C. Na twee uur bewaren bij een temperatuur wordt de ampul afgekoeld tot kamertemperatuur. Het SWNT-papier wordt gedurende 1 uur in tolueen gesoniceerd om fullerenen die op het oppervlak van SWNT's zijn gecoat, te verwijderen. Na filtratie wordt een vel erwtenpapier verkregen. Vervolgens wordt het peapod-papier in vacuüm verwarmd om tolueen te verwijderen. Voorbeeldbereiding Voor de synthese bij lage temperatuur van fullereen peapods wordt het commerciële SWCNT-materiaal bereid met de boogontladingsmethode en gezuiverd met herhaalde wasbehandelingen met lucht en zuur bij hoge temperatuur. Het SWCNT-materiaal met een lage initiële zuiverheid wordt gezuiverd met een drievoudige herhaling van H2O2-reflux en HCl-zuuretsing. Het materiaal wordt vervolgens gefilterd en ontgast in dynamisch vacuüm. Er kunnen twee vulmethoden worden toegepast die consistent zijn met het effectieve neveneffect van het openen van het buisuiteinde van de SWCNT-zuivering. Het is mogelijk om SWCNT te vullen met andere fullerenen, waaronder metallofullerenen en clusterfullerenen. Het succes van een dergelijke vulprocedure hangt weer samen met de diameterverdeling van de beginnende SWCNT.Vulmethoden Dampvullend Het vullen van fullerenen uit de dampfase door middel van dampvullen omvat het afdichten van het SWCNT-materiaal met het fullereen in een kwartsampul na ontgassen en op een licht verhoogde temperatuur houden. Het resulterende materiaal wordt gesoniceerd in tolueen om niet-gereageerde fullerenen te verwijderen, gefilterd en gedroogd van tolueen in dynamisch vacuüm voor het verwijderen van niet-gereageerde fullerenendeeltjes zonder een waarneembaar effect op de peapods.Oplosmiddel-vulling Het vullen van fullereen in SWCNT in n-hexaan door vullen met oplosmiddel wordt bereikt door het SWCNT-materiaal te mengen met n-hexaan met C60 of C70. De zoals ontvangen SWCNT-materialen moeten worden gedroogd om ze uit de buurt van vocht te houden. De dynamische vacuümontgassing van de SWCNT is cruciaal voor het vullen met oplosmiddel, omdat het spoelen in water elke verdere vulbaarheid met oplosmiddel voorkomt, waarschijnlijk omdat er water in de nanobuisjes komt. Het mengsel SWCNT, fullereen en n-hexaan wordt gesoniceerd, wat resulteert in de gedeeltelijke oplossing van C60. Uit de C60-oplossing wordt vervolgens het onopgeloste C60- en SWCNT-mengsel onder terugvloeikoeling gekookt en gefiltreerd buckypapier wordt aan de lucht gedroogd. C60 die niet zijn ingekapseld die het bucky-papier bedekt, worden verwijderd met de bovengenoemde twee methoden van sonicatie in tolueen of door dynamische vacuümbehandeling.Gebruik Fullereen peapods kunnen worden omgezet in een dubbelwandige koolstof nanobuis (DWCNT) structuur na gloeien bij hoge temperatuur. De fullerenen smelten samen tot een binnenste nanobuis zonder de elektronische eigenschappen te beïnvloeden, maar de mechanische eigenschappen van het buissysteem aanzienlijk te verbeteren. Deze verbeterde mechanische stabiliteit maakt DWCNT's veelbelovende kandidaten voor toepassingen in toekomstige elektronica, sondetips voor scanningsondemicroscopie, veldemissieapparatuur en nog veel meer. Er is gespeculeerd dat dergelijke materialen, indien beschikbaar in hogere spinconcentraties, fundamentele elementen van kwantumcomputers kunnen zijn. De transformatie van met oplosmiddel bereide peapod naar DWCNT met een opbrengst die identiek is aan die van met damp bereide materialen, kan worden gebruikt voor de productie van zeer zuivere en zeer perfecte industriële DWCNT. Fullerenen in nanobuisjes kunnen onder zware druk worden gecomprimeerd, zodat moleculen er tussenin worden ingesloten en chemische reacties kunnen worden geïnduceerd door deze extreme druk, waardoor de peapods effectieve autoclaven worden. Peapoden die metallofullerenen omhullen vertonen de bandgap-modulatie vanwege de elektronenoverdracht van metallofullerenen naar koolstofnanobuizen. Dergelijke peapods zijn toegepast op FET met nieuwe apparaateigenschappen.