フラーレンピーポッド

ピーポッド 単層カーボンナノチューブ（SWNT）は、C60の発見後にかなりの関心を集めています。単層カーボンナノチューブは、外部条件から隔離された空のスペースを提供します。この大きな内部空間はさまざまな構造で満たすことができ、デキャッピングによって分子を導入することができます。フラーレンは、その適合直径のため、カプセル化に最も適した分子です。フラーレンをカプセル化するこのような単層カーボンナノチューブは、フラーレンピーポッドと呼ばれます。このような固体の物理的特性は、ネットワークの次元に強く依存します。フラーレンピーポッドはネットワークの次元が混在しているため、非常に興味深い物理的特性を持っています。通常、それらは、ポッドとして直径が選択されたナノチューブを使用して合成されます。高分解能透過型電子顕微鏡研究は、ナノチューブ内の高密度フラーレン鎖が巨視的平均でC60分子の最大60％を満たすことを明らかにしています。日本のチームは、ナノチューブの特性を制御する新しい方法を期待して、ナノチューブに金属フラーレン（金属原子を囲む純粋な炭素球）を充填したと報告しています。この作業は、チューブ内のオープンスペースを活用し、おそらくそれらのプロパティをより細かく制御するための新しい方法を示しました。名古屋大学の研究者は、ガドリニウム原子を含むC82バッキーボールをナノチューブの内部に配置しました。これにより、バッキーボールの電子構造が変化しました。カプセル化 フラーレン、原子内包フラーレン、ハロゲン化アルカリなどのいくつかの分子は、SWCNTの内部にうまく挿入されています。内部に充填された構造は、SWCNTの機械的および電子的特性を変更または強化したり、比較的高温で処理した場合にこれらのパラメーターの微調整を可能にしたりする可能性があります。ドイツのウルム大学の研究者は、82個の炭素原子からなる中空のフラーレン球内に重金属ジスプロシウムの単一原子を閉じ込め、これらのジスプロシウムをシードした一連のケージを単層カーボンナノチューブ内に閉じ込め、フラーレンをそれらに沿ってひもでつなぎました。ナノチューブ形成ピーポッド。合成 SWCNT内で最も研究されている構造は、C60フラーレンです。得られた材料はC60ピーポッドと呼ばれます。充填は、C60とSWCNTを混合して行います。続いて、混合物を排気し、C60の昇華点を超えて数日間加熱する。エンドウ豆の合成にはSWCNTの熱処理が必要であり、フラーレンは真空下で一緒に密封されますが、この方法は大規模な生産目的には採用できません。また、エンドウ豆の生産では、未知のフラーレンが最も望ましくない不純物です。 1つの典型的な製造プロセスでSWNTから未知のフラーレンを取り除くために、煤を真空で加熱し、次にフラーレンを含まない煤をH2O2水溶液で還流してアモルファスカーボン粒子を除去します。最後に、精製されたSWNTは薄い黒い紙に成形され、次に真空中で乾燥されます。酸化処理はSWNTのキャップを破壊し、HCl処理は壁の欠陥を増加させるため、精製されたSWNTにはすでにフラーレンのための十分な数の入口があります。 SWNT紙をフラーレン粉末（フラーレン源として純度99％のC60およびC70粉末）を入れた石英アンプルに入れ、アンプルを排気します。乾燥工程後、フラーレン粉末を蒸発させ、SWNT紙上にフィルム状にします。アンプルは密封され、650°Cまでの炉で加熱されます。温度を２時間保った後、アンプルを室温まで冷却する。 SWNT紙をトルエン中で1時間超音波処理して、SWNT表面にコーティングされたフラーレンを除去します。濾過後、ピーポッド紙のシートが得られる。次に、ピーポッドペーパーを真空中で加熱してトルエンを除去します。 サンプル準備 フラーレンピーポッドの低温合成のために、市販のSWCNT材料はアーク放電法によって調製され、高温の空気と酸の洗浄処理を繰り返し使用して精製されます。初期純度の低いSWCNT材料は、H2O2の還流とHCl酸エッチングを3回繰り返すことで精製されます。次に、材料は動的真空でろ過および脱気されます。 SWCNT精製の効果的なチューブエンド開口部の副作用と一致する2つの充填方法を採用することができます。 SWCNTをメタロフラーレンやクラスターフラーレンなどの他のフラーレンで満たすことができます。このような充填手順の成功は、開始SWCNTの直径分布に再び関係しています。充填方法 蒸気充填 蒸気充填によって気相からフラーレンを充填するには、脱気してわずかに高温に保った後、SWCNT材料を石英アンプル内のフラーレンで密封する必要があります。得られた材料をトルエン中で超音波処理して未反応のフラーレンを除去し、ろ過し、動的真空中でトルエンから乾燥させて、エンドウ豆に観察可能な影響を与えることなく未反応のフラーレン粒子を除去します。 溶媒充填 溶媒充填によるn-ヘキサン中のSWCNTへのフラーレン充填は、SWCNT材料をC60またはC70でn-ヘキサンと混合することによって達成されます。受け取ったままのSWCNT材料は、湿気を避けるために乾燥させる必要があります。 SWCNTの動的真空デガッシングは、溶媒を充填するために非常に重要です。SWCNTを水でリンスすると、おそらく水がナノチューブに侵入するため、溶媒の充填がさらに妨げられるためです。 SWCNT、フラーレン、n-ヘキサンの混合物を超音波処理すると、C60が部分的に溶解します。次に、C60溶液から、溶解していないC60とSWCNTの混合物を還流し、ろ過したバッキーペーパーを空気中で乾燥させます。バッキーペーパーを覆うカプセル化されていないC60は、トルエン中での上記の2つの超音波処理方法、または動的真空処理によって除去されます。用途 フラーレンピーポッドは、高温アニーリング後に二重壁カーボンナノチューブ（DWCNT）構造に変換できます。フラーレンは、電子特性に影響を与えることなく内部ナノチューブに合体しますが、チューブシステムの機械的特性を大幅に向上させます。この強化された機械的安定性により、DWCNTは、将来の電子機器、走査型プローブ顕微鏡用のプローブチップ、電界放出デバイスなどのアプリケーションの有望な候補になります。そのような材料は、より高いスピン濃度で利用できる場合、量子計算の基本的な要素である可能性があると推測されています。溶媒で調製したピーポッドを蒸気で調製した材料と同じ収率でDWCNTに変換することで、高純度で完全な工業用DWCNTを製​​造できます。ナノチューブ内のフラーレンは高圧によって圧縮されるため、分子はその間に閉じ込められ、化学反応はこれらの極端な圧力によって誘発され、ピーポッドを効果的なオートクレーブにすることができます。金属フラーレンを含むピーポッドは、金属フラーレンからカーボンナノチューブへの電子移動によりバンドギャップ変調を示します。このようなピーポッドは、新しいデバイス特性を備えたFETに適用されています。