Fullerene-Erbsenschoten

Peapods Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) haben nach der Entdeckung von C60 großes Interesse geweckt. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen bieten einen leeren Raum, der von äußeren Bedingungen isoliert ist. Dieser große Innenraum kann mit unterschiedlichen Strukturen gefüllt und Moleküle durch Entkappen eingebracht werden. Fullerene sind aufgrund ihrer Passungsdurchmesser die günstigsten Moleküle für die Einkapselung. Solche einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Fullerene einkapseln, werden Fulleren-Erbsenschoten genannt. Die physikalischen Eigenschaften solcher Festkörper hängen stark von einer Netzwerkdimensionalität ab. Da Fulleren-Erbsenfüßer eine gemischte Netzwerkdimension haben, haben sie sehr interessante physikalische Eigenschaften. Normalerweise werden sie synthetisiert, indem Nanoröhren mit ausgewähltem Durchmesser als Hülsen verwendet werden. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopiestudien zeigen, dass Fullerenketten mit hoher Dichte in Nanoröhren im makroskopischen Durchschnitt bis zu 60 % der C60-Moleküle ausfüllen. Ein japanisches Team hat berichtet, dass es Nanoröhren mit Metallofullerenen gefüllt hat – reine Kohlenstoffkugeln, die Metallatome einschließen – in der Hoffnung auf einen neuen Weg, die Eigenschaften von Nanoröhren zu kontrollieren. Diese Arbeit zeigte einen neuen Weg, den offenen Raum in den Röhren zu nutzen und möglicherweise mehr Kontrolle über ihre Eigenschaften zu erlangen. Forscher der Universität Nagoya platzierten C82-Buckyballs, die Gadoliniumatome enthielten, in Nanoröhren, die die elektronische Struktur der Buckyballs veränderten.Verkapselung Mehrere Moleküle wie Fullerene, endohedrale Metallofullerene oder Alkalihalogenide wurden erfolgreich in das Innere von SWCNTs eingebaut. Die mit der Innenseite gefüllten Strukturen können die mechanischen und elektronischen Eigenschaften der SWCNTs verändern oder verbessern oder die Feinabstimmung dieser Parameter ermöglichen, wenn sie bei relativ hohen Temperaturen behandelt werden. Forscher der Universität Ulm in Deutschland fingen einzelne Atome des Schwermetalls Dysprosium in hohlen Fullerenkugeln aus 82 Kohlenstoffatomen ein und schlossen eine Reihe dieser mit Dysprosium beimpften Käfige in einwandige Kohlenstoffnanoröhren ein, wobei die Fullerene sie entlang der Nanoröhren bildende Erbsenschote.Synthese Die am besten untersuchte Struktur in SWCNT ist das C60-Fulleren. Das resultierende Material wird als C60-Erbsenschote bezeichnet. Die Füllung erfolgt durch Mischen von C60 und SWCNT. Anschließend wird evakuiert und mehrere Tage über den Sublimationspunkt von C60 erhitzt. Die Peapod-Synthese erfordert die Wärmebehandlung von SWCNT und Fullerene werden unter Vakuum miteinander versiegelt, aber dieses Verfahren kann nicht für Produktionszwecke im großen Maßstab übernommen werden. Auch für die Produktion von Erbsenschoten sind unbekannte Fullerene die am meisten unerwünschten Verunreinigungen. Um unbekanntes Fulleren aus SWNTs in einem typischen Produktionsprozess zu entfernen, wird Ruß im Vakuum erhitzt und dann wird der fullerenfreie Ruß in einer H2O2-Wasserlösung unter Rückfluss erhitzt, um amorphe Kohlenstoffpartikel zu entfernen. Schließlich werden die gereinigten SWNTs zu dünnem schwarzem Papier geformt und anschließend im Vakuum getrocknet. Da die Oxidationsbehandlung die Kappen von SWNTs zerstört und die HCl-Behandlung Defekte an der Wand verstärkt, haben die gereinigten SWNTs bereits eine ausreichende Anzahl von Eingängen für Fullerene. Ein SWNT-Papier wird in eine Quarzampulle mit Fullerenpulver (C60- und C70-Pulver in 99 % Reinheit als Fullerenquellen) gegeben und die Ampulle evakuiert. Nach dem Trocknungsprozess wird Fullerenpulver verdampft und auf dem SWNT-Papier verfilmt. Die Ampulle wird verschlossen und in einem Ofen auf bis zu 650 °C erhitzt. Nach zweistündigem Temperieren wird die Ampulle auf Raumtemperatur abgekühlt. Das SWNT-Papier wird in Toluol 1 Stunde lang beschallt, um Fullerene zu entfernen, die auf der SWNT-Oberfläche beschichtet sind. Nach dem Filtrieren wird ein Blatt Erbsenschotenpapier erhalten. Dann wird das Erbsenschotenpapier im Vakuum erhitzt, um Toluol zu entfernen. Probenvorbereitung Für die Niedertemperatursynthese von Fulleren-Erbsenschoten wird das kommerzielle SWCNT-Material durch das Bogenentladungsverfahren hergestellt und durch wiederholte Hochtemperatur-Luft- und Säurewaschbehandlungen gereinigt. Das SWCNT-Material mit geringer Anfangsreinheit wird durch dreimalige Wiederholung von H2O2-Rückfluss und HCl-Säureätzen gereinigt. Anschließend wird das Material filtriert und im dynamischen Vakuum entgast. Zwei Füllmethoden, die mit dem effektiven Nebeneffekt des Öffnens des Rohrendes der SWCNT-Reinigung übereinstimmen, können angewendet werden. Es ist möglich, SWCNT mit anderen Fullerenen einschließlich Metallofullerenen und Clusterfullerenen zu füllen. Der Erfolg eines solchen Füllverfahrens hängt wiederum von der Durchmesserverteilung der Ausgangs-SWCNT ab.Füllverfahren Dampffüllung Das Füllen von Fullerenen aus der Dampfphase durch Aufdampfen beinhaltet das Versiegeln des SWCNT-Materials mit dem Fulleren in einer Quarzampulle nach dem Entgasen und Halten bei leicht erhöhter Temperatur. Das resultierende Material wird in Toluol beschallt, um nicht-umgesetzte Fullerene zu entfernen, filtriert und aus Toluol im dynamischen Vakuum getrocknet, um nicht-umgesetzte Fulleren-Partikel ohne beobachtbare Wirkung auf die Erbsenschoten zu entfernen.Lösungsmittelfüllung Die Fullerenfüllung in SWCNT in n-Hexan durch Lösungsmittelfüllung wird durch Mischen des SWCNT-Materials mit n-Hexan mit C60 oder C70 erreicht. Die erhaltenen SWCNT-Materialien müssen getrocknet werden, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. Die dynamische Vakuumentgasung der SWCNT ist entscheidend für die Lösungsmittelbefüllung, da das Spülen in Wasser jede weitere Lösungsmittelbefüllbarkeit verhindert, wahrscheinlich weil Wasser in die Nanoröhren eindringt. Die Mischung aus SWCNT, Fulleren und n-Hexan wird beschallt, was zur teilweisen Auflösung von C60 führt. Aus der C60-Lösung werden dann ungelöste C60- und SWCNT-Mischungen unter Rückfluss erhitzt und filtrierte Bucky-Papiere werden an der Luft getrocknet. C60, die nicht eingekapselt sind und das Bucky-Papier bedeckt, werden mit den oben genannten beiden Methoden der Beschallung in Toluol oder durch dynamische Vakuumbehandlung entfernt.Verwendung Fulleren-Erbsenschoten können nach Hochtemperaturtempern in eine doppelwandige Kohlenstoffnanoröhrenstruktur (DWCNT) umgewandelt werden. Die Fullerene koaleszieren zu einer inneren Nanoröhre, ohne die elektronischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, aber die mechanischen Eigenschaften des Röhrensystems signifikant zu verbessern. Diese verbesserte mechanische Stabilität macht DWCNTs zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in der Elektronik der Zukunft, Tastspitzen für die Rastersondenmikroskopie, Feldemissionsgeräte und vieles mehr. Es wurde spekuliert, dass solche Materialien, wenn sie in höheren Spinkonzentrationen verfügbar sind, grundlegende Elemente des Quantencomputers sein könnten. Die Umwandlung von mit Lösungsmittel hergestellten Erbsen in DWCNT mit einer Ausbeute, die mit der von dampfbehandelten Materialien identisch ist, kann zur Herstellung von hochreinem und hochperfektem industriellem DWCNT verwendet werden. Fullerene in Nanoröhrchen können durch einen starken Druck komprimiert werden, sodass Moleküle dazwischen eingeschlossen werden und chemische Reaktionen durch diesen extremen Druck induziert werden können, was die Erbsenschoten zu effektiven Autoklaven macht. Peapods, die Metallofullerene einschließen, zeigen die Bandlückenmodulation aufgrund des Elektronentransfers von Metallofullerenen auf Kohlenstoffnanoröhren. Solche Erbsenschoten wurden mit neuartigen Geräteeigenschaften auf FETs angewendet.