フラーレンピーポッド：ナノテクノロジーにおけるカプセル化、合成、応用

フラーレンピーポッド

単層カーボンナノチューブ（SWNT）は、フラーレンなどの分子で充填可能な保護された内部空洞を作ります。C60や他のフラーレン種がSWNT内部にカプセル化されると、結果のハイブリッドはフラーレンピーポッドとして知られます。これらの構造は両構成要素のユニークな電子特性を組み合わせ、次元依存的物理挙動を示します。

カプセル化

フラーレン、エンドヘドラルメタロフラーレン、アルカリハライドがすべてSWNT内部へ挿入成功しています。カプセル化種はホストチューブの機械的・電子的特性を修飾・增強でき、熱後処理で特性を調整可能です。例えば、名古屋大学研究者たちはGdドープC82ケージをSWNTへ挿入し、バッキーボール電子構造の測定可能なシフトを達成しました。

合成

最も一般的なピーポッドはC60ピーポッドです。その製造は典型的に、精製SWNTとC60粉末を混合、混合物を排気し、C60昇華点以上で数日間加熱することを含みます。効果的ですが、この真空加熱法はスケーラブルではなく、望ましくないフラーレン不純物を導入する可能性があります。

不純物を減らすため、典型的な洗浄プロトコルではススを真空加熱し、その後フラーレンフリーススをH2O2溶液でリフラックスしアモルファス炭素を除去します。結果のSWNTはキャップされ欠陥豊富となり、薄い黒色紙に圧縮され、真空乾燥後、充填準備完了となります。

サンプル調製

アーク放電由来の商用SWCNTは、繰り返し高温エア洗浄と酸洗浄、トリプルH2O2リフラックスとHClエッチングで精製されます。ろ過と脱ガス後、SWNTペーパーは希望フラーレン種とチューブ径分布に応じて、蒸気または溶媒充填の準備が整います。

充填方法

蒸気充填

SWNTとフラーレン粉末を石英アンプルに密封、脱ガスし、控えめな温度で加熱。生成物をトルエンで超音波処理し未反応フラーレン除去、ろ過、動的真空下で乾燥。

溶媒充填

n-ヘキサン中でSWNTとC60またはC70を混合。乾燥で水分除去後、超音波でC60を部分溶解。 resulting solution is refluxed, filtered, and the resulting buckypaper is washed with toluene or subjected to vacuum to eliminate surface-bound fullerene.

応用

高温アニーリングにより、フラーレンピーポッドは二重壁カーボンナノチューブ（DWCNT）へ変換されます。フラーレンが凝集し内側チューブを形成するためです。DWCNTはホストの電子特性を保持しつつ優れた機械的強度を提供し、電子デバイス、走査プローブチップ、電界放出カソード、潜在的量子コンピューティング要素として魅力的です。

メタロフラーレン含有ピーポッドは、金属コアと炭素ホスト間の電子移動によるバンドギャップ変調を示し、新規電界効果トランジスタ設計を可能にします。極限圧力下では、ピーポッドはマイクロオートクレーブとして機能し、限定空間内での反応を促進します。

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