Peapod de carbono
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Generación de moléculas de fullereno dentro de un nanotubo de carbono (CNT): observación de microscopía electrónica de transmisión (TEM) in situ . [1]
Imágenes TEM de M 3 N @ C 80 peapods. Los átomos de metal (M = Ho o Sc) se ven como manchas oscuras dentro de las moléculas de fullereno; están doblemente encapsulados en las moléculas C 80 y en los nanotubos. [2]
Imagen TEM de un CNT ancho de doble pared densamente lleno de fullerenos C 60 . [3]

Carbon peapod es un nanomaterial híbrido que consta de fullerenos esferoidales encapsulados dentro de un nanotubo de carbono . Se llama así por su parecido con la vaina de la planta del guisante. Dado que las propiedades de los peapods de carbono difieren de las de los nanotubos y los fullerenos, el peapod de carbono puede reconocerse como un nuevo tipo de estructura grafítica autoensamblada. [4] Las posibles aplicaciones de los nano-peapods incluyen láseres a nanoescala , transistores de un solo electrón , arreglos de spin-qubit para computación cuántica, nanopipetas y dispositivos de almacenamiento de datos gracias a los efectos de memoria y la superconductividad de los nano-peapods. [5] [6]

Historia

Los nanotubos de pared simple (SWNT) se vieron por primera vez en 1993 como cilindros enrollados de una sola hoja de grafeno . En 1998, Brian Smith, Marc Monthioux y David Luzzi observaron el primer peapod. [7] La idea de los peapods provino de la estructura que se produjo dentro de un microscopio electrónico de transmisión en 2000. [4] Fueron reconocidos por primera vez en fragmentos obtenidos por síntesis de vaporización con láser pulsado seguida de tratamiento con un ácido y recocido. [8] [9] [10]

Producción y estructura

Los peapods de carbono se pueden producir naturalmente durante la síntesis de nanotubos de carbono mediante vaporización con láser pulsado. Las impurezas de fullereno C 60 se forman durante el tratamiento de recocido y la purificación del ácido, y entran en los nanotubos a través de defectos o difusión en fase de vapor. [11] Los fullerenos dentro de un nanotubo solo se estabilizan a una diferencia de diámetro de 0,34 nm o menos, y cuando los diámetros son casi idénticos, la energía de interacción aumenta a tal grado (comparable a 0,1 GPa) que los fullerenos no se pueden extraer. del SWNT incluso en condiciones de alto vacío. [4] Los fullerenos encapsulados tienen diámetros cercanos al de C 60y formar una cadena dentro del tubo. La producción controlada de peapods de carbono permite una mayor variedad tanto en la estructura de nanotubos como en la composición de fullereno. Se pueden incorporar diversos elementos en un peapod de carbono mediante dopaje y afectarán drásticamente las propiedades de conductividad térmica y eléctrica resultantes.

Propiedades químicas

La existencia de peapods de carbono demuestra otras propiedades de los nanotubos de carbono, como el potencial de ser un entorno estrictamente controlado para las reacciones. Las moléculas de C 60 normalmente forman carbono amorfo cuando se calientan a 1000-1200 ° C en condiciones ambientales; cuando se calienta a una temperatura tan alta dentro de un nanotubo de carbono, en su lugar se fusionan de manera ordenada para formar otro SWNT, creando así un nanotubo de carbono de doble pared. [4] Debido a la facilidad con la que los fullerenos pueden encapsularse o doparse con otras moléculas y la transparencia de los nanotubos a los haces de electrones, los peapods de carbono también pueden servir como tubos de ensayo a nanoescala. Después de que los fullerenos que contienen reactivos se difunden en un SWNT, se puede usar un haz de electrones de alta energía para desplazar átomos de carbono e inducir una alta reactividad, lo que desencadena la formación de dímeros C 60 y la fusión de sus contenidos. [12] Además, debido a que los fullerenos cerrados están limitados a un grado de movilidad unidimensional, se pueden estudiar fácilmente fenómenos como la difusión o las transformaciones de fase . [11]

Propiedades electronicas

El diámetro de los peapods de carbono varía entre ca. 1 a 50 nanómetros. Varias combinaciones de tamaños de fullereno C 60 y estructuras de nanotubos pueden dar lugar a diversas propiedades de conductividad eléctrica de los peapods de carbono debido a la orientación de las rotaciones. Por ejemplo, el C 60 @ (10,10) es un buen superconductor y el C 60 @ (17,0) peapod es un semiconductor. La banda prohibida calculada de C 60 @ (17,0) es igual a 0,1 eV. [13] La investigación sobre su potencial como semiconductores aún está en curso. Aunque tanto los fullerides dopadosy las cuerdas de SWNT son superconductores, desafortunadamente, las temperaturas críticas para la transición de fase superconductora en estos materiales son bajas. Hay esperanzas de que los nanopodos de carbono puedan ser superconductores a temperatura ambiente. [14]

Con el dopaje químico, las características electrónicas de los peapods se pueden ajustar aún más. Cuando el peapod de carbono está dopado con átomos de metales alcalinos como el potasio, los dopantes reaccionarán con las moléculas de C 60 dentro del SWNT. Forma una cadena polimérica unidimensional unida covalentemente C 60 6− cargada negativamente con conductividad metálica. En general, el dopaje de SWNT y peapods por átomos de metales alcalinos mejora activamente la conductividad de la molécula, ya que la carga se traslada de los iones metálicos a los nanotubos. [15] El dopado de nanotubos de carbono con metal oxidado es otra forma de ajustar la conductividad. Crea un estado superconductor de alta temperatura muy interesante como el nivel de Fermise reduce significativamente. Una buena aplicación sería la introducción de dióxido de silicio en nanotubos de carbono. Construye un efecto de memoria, ya que algún grupo de investigación ha inventado formas de crear dispositivos de memoria basados ​​en peapods de carbono cultivados en superficies de Si / SiO 2 . [16] [17]

Referencias

  1. ^ Gorantla, Sandeep; Börrnert, Felix; Bachmatiuk, Alicja; Dimitrakopoulou, Maria; Schönfelder, Ronny; Schäffel, Franziska; Thomas, Jürgen; Gemming, Thomas; Borowiak-Palen, Ewa; Warner, Jamie H .; Yakobson, Boris I .; Eckert, Jürgen; Büchner, Bernd; Rümmeli, Mark H. (2010). "Observaciones in situ de fusión y eyección de fullereno en nanotubos de carbono". Nanoescala . 2 (10): 2077–9. Código bibliográfico : 2010Nanos ... 2.2077G . doi : 10.1039 / C0NR00426J . PMID  20714658 .
  2. ^ Gimenez-Lopez, Maria del Carmen; Chuvilin, Andrey; Kaiser, Ute; Khlobystov, Andrei N. (2011). "Fullerenos endoédricos funcionalizados en nanotubos de carbono de pared simple". Chem. Comun . 47 (7): 2116–2118. doi : 10.1039 / C0CC02929G .
  3. ^ Barzegar, Hamid Reza; Gracia-Espino, Eduardo; Yan, apuntando; Ojeda-Aristizabal, Claudia; Dunn, Gabriel; Wågberg, Thomas; Zettl, Alex (2015). "C60 / híbridos de nanotubos de carbono colapsados: una variante de Peapods" . Nano Letras . 15 (2): 829–34. Código bibliográfico : 2015NanoL..15..829B . doi : 10.1021 / nl503388f . PMID 25557832 . 
  4. ↑ a b c d Iijima, Sumio (2002). "Nanotubos de carbono: pasado, presente y futuro". Physica B: Materia condensada . 323 : 1–5. Código bibliográfico : 2002PhyB..323 .... 1I . doi : 10.1016 / S0921-4526 (02) 00869-4 .
  5. ^ Kwon, Young-Kyun; Tománek, David; Iijima, Sumio (1999). " Dispositivo de memoria " Bucky Shuttle ": Enfoque sintético y simulaciones de dinámica molecular". Cartas de revisión física . 82 (7): 1470–1473. Código Bibliográfico : 1999PhRvL..82.1470K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.82.1470 .
  6. ^ Utko, Pawel; Nygård, Jesper; Monthioux, Marc; Noé, Laure (2006). "Espectroscopia de transporte sub-Kelvin de puntos cuánticos de fullereno peapod" . Letras de Física Aplicada . 89 (23): 233118. Código Bibliográfico : 2006ApPhL..89w3118U . doi : 10.1063 / 1.2403909 .
  7. ^ Pichler, T .; Kuzmany, H .; Kataura, H .; Achiba, Y. (2001). "Polímeros metálicos de nanotubos de carbono de pared simple interior C 60 ". Cartas de revisión física . 87 (26). Código Bibliográfico : 2001PhRvL..87z7401P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.87.267401 .
  8. ^ Burteaux, Beatrice; Claye, Agnès; Smith, Brian W .; Monthioux, Marc; Luzzi, David E .; Fischer, John E. (1999). "Abundancia de C 60 encapsulado en nanotubos de carbono de pared simple". Letras de física química . 310 : 21-24. Código Bibliográfico : 1999CPL ... 310 ... 21B . doi : 10.1016 / S0009-2614 (99) 00720-4 .
  9. ^ Smith, Brian W .; Monthioux, Marc; Luzzi, David E. (1998). "C 60 encapsulado en nanotubos de carbono". Naturaleza . 396 (6709): 323–324. Código Bibliográfico : 1998Natur.396R.323S . doi : 10.1038 / 24521 .
  10. ^ Smith, Brian W .; Monthioux, Marc; Luzzi, David E. (1999). "Fullerenos encapsulados en nanotubos de carbono: una clase única de materiales híbridos". Letras de física química . 315 : 31–36. Código Bibliográfico : 1999CPL ... 315 ... 31S . doi : 10.1016 / S0009-2614 (99) 00896-9 .
  11. ^ a b Smith, Brian W .; Luzzi, David E. (2000). "Mecanismo de formación de peapods fullerenos y tubos coaxiales: un camino hacia la síntesis a gran escala". Letras de física química . 321 : 169-174. Código Bibliográfico : 2000CPL ... 321..169S . doi : 10.1016 / S0009-2614 (00) 00307-9 .
  12. ^ Terrones, M (2010). "Microscopía electrónica de transmisión: visualización de la química del fullereno". Química de la naturaleza . 2 (2): 82–3. Código Bibliográfico : 2010NatCh ... 2 ... 82T . doi : 10.1038 / nchem.526 . PMID 21124394 . 
  13. ^ Chen, Jiangwei; Dong, Jinming (2004). "Propiedades electrónicas de los peapods: efectos de la rotación del fullereno y diferentes tipos de tubo". Revista de física: materia condensada . 16 (8): 1401–1408. Código Bibliográfico : 2004JPCM ... 16.1401C . doi : 10.1088 / 0953-8984 / 16/8/021 .
  14. ^ Servicio, RF (2001). "FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO: Nanotubo 'Peapods' Mostrar promesa electrizante". Ciencia . 292 (5514): 45. doi : 10.1126 / science.292.5514.45 . PMID 11294210 . 
  15. ^ Yoon, Young-Gui; Mazzoni, Mario SC; Louie, Steven G. (2003). "Conductancia cuántica de peapods de nanotubos de carbono". Letras de Física Aplicada . 83 (25): 5217. Código Bibliográfico : 2003ApPhL..83.5217Y . doi : 10.1063 / 1.1633680 .
  16. ^ Lee, CH; Kang, KT; Park, KS; Kim, MS; Kim, HS; Kim, HG; Fischer, JE; Johnson, AT (2003). "Los dispositivos de nano-memoria de un transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono estructural de pared simple y Peapod". Revista japonesa de física aplicada . 42 : 5392–5394. Código Bibliográfico : 2003JaJAP..42.5392L . doi : 10.1143 / JJAP.42.5392 .
  17. ↑ Krive, IV; Shekhter, RI; Jonson, M. (2006). "Carbon" peapods ": una nueva estructura grafítica a nanoescala sintonizable (Revisión)". Física de bajas temperaturas . 32 (10): 887. Bibcode : 2006LTP .... 32..887K . doi : 10.1063 / 1.2364474 .
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