Fullerene Peapods

Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNTs) creëren een beschermde interne caviteit die gevuld kan worden met moleculen zoals fullerenen. Wanneer C60 of andere fullereen soorten geencapsuleerd worden binnen SWNTs, heet de resulterende hybride een fullerene peapod. Deze structuren combineren de unieke elektronische eigenschappen van beide componenten en vertonen dimensionaliteits-afhankelijk fysiek gedrag.

Encapsulatie

Fullerenen, endohedrale metallofullerenen, en alkalihalogeniden zijn allemaal met succes in SWNT interieurs geïnjecteerd. De geencapsuleerde soorten kunnen de mechanische en elektronische karakteristieken van de host buis modificeren of verbeteren, en de eigenschappen kunnen afgestemd worden door thermische post-behandelingen. Bijvoorbeeld, Nagoya Universiteit onderzoekers inserten Gd-gedopte C82 kooien in SWNTs, wat een meetbare verschuiving in de buckyball elektronische structuur bewerkstelligde.

Synthese

De meest voorkomende peapod is de C60 peapod. De fabricatie omvat typisch het mengen van gezuiverde SWNTs met C60 poeder, het evacueren van de mengsel, en het verwarmen boven C60's sublimatiepunt voor meerdere dagen. Hoewel effectief, is deze vacuum-hitte methode niet schaalbaar en kan ongewenste fullereen verontreinigingen introduceren.

Om verontreinigingen te reduceren, verhit een typisch reinigingsprotocol roet in vacuum, refluxeert daarna de fullereen-vrije roet in een H2O2 oplossing om amorfe koolstof te verwijderen. De resulterende SWNTs, nu gecapt en defect-rijk, worden in dun zwart papier geperst, onder vacuum gedroogd, en zijn klaar voor vulling.

Monster Voorbereiding

Commerciële SWCNTs afkomstig van boogontlading worden gezuiverd door herhaalde hoge-temperatuur lucht en zuur wassen, gevolgd drievoudige H2O2 refluxen en HCl etsen. Na filtratie en degassing, is het SWNT papier klaar voor ofwel damp- of oplosmiddel-vulling, afhankelijk van de gewenste fullereen soort en buis diameter distributie.

Vulmethoden

Damp-Vulling

SWNTs en fullereen poeder worden geseald in een kwarts ampoule, gedegassed, en verwarmd bij een matige temperatuur. Het product wordt daarna gesonickeerd in tolueen om niet-gereageerde fullereen te verwijderen, gefiltreerd, en gedroogd onder dynamische vacuum.

Oplosmiddel-Vulling

In n-hexaan worden SWNTs gemengd met C60 of C70. Na drogen om vocht te elimineren, wordt de mengsel gesonickeerd om C60 deels op te lossen. De resulterende oplossing wordt gerefluxt, gefiltreerd, en de resulterende buckypaper wordt gewassen met tolueen of aan vacuum onderworpen om oppervlakte-gebonden fullereen te elimineren.

Toepassingen

Bij hoge-temperatuur annealing transformeren fullerene peapods in dubbelwandige koolstofnanobuizen (DWCNTs) doordat de fullerenen coalesceren tot een innerlijke buis. DWCNTs behouden de elektronische eigenschappen van de host terwijl ze superieure mechanische sterkte bieden, wat ze aantrekkelijk maakt voor elektronische apparaten, scanning probe tips, veld-emissie kathoden, en potentiële kwantum-computing elementen.

Peapods met metallofullerenen vertonen bandkloof modulatie door elektronenoverdracht tussen het metaalkern en de koolstofhost, wat nieuwe veld-effect transistor ontwerpen mogelijk maakt. Onder extreme druk kunnen peapods fungeren als micro-autoklaven, wat reacties binnen ingeperkte ruimtes bevordert.