Углеродный стручок
Углеродный стручок — это гибридный наноматериал, состоящий из сфероидальных фуллеренов , инкапсулированных в углеродную нанотрубку . Свое название он получил из-за сходства с семенным стручком гороха. Поскольку свойства углеродных стручков отличаются от свойств нанотрубок и фуллеренов, углеродные стручки можно признать новым типом самоорганизующейся графитовой структуры. [4] Возможные применения наностручков включают наноразмерные лазеры , одноэлектронные транзисторы , массивы спин-кубитов для квантовых вычислений, нанопипетки и устройства хранения данных благодаря эффектам памяти и сверхпроводимости наностручков. [5] [6]
История
[ редактировать ]Одностенные нанотрубки (ОСНТ) впервые были обнаружены в 1993 году в виде цилиндров, скатанных из одного листа графена . В 1998 году первый стручок гороха наблюдали Брайан Смит, Марк Монтиу и Дэвид Луцци. [7] Идея стручков гороха возникла из структуры, созданной с помощью просвечивающего электронного микроскопа в 2000 году. [4] Впервые они были обнаружены во фрагментах, полученных методом импульсно-лазерного испарительного синтеза с последующей обработкой кислотой и отжигом. [8] [9] [10]
Производство и структура
[ редактировать ]Углеродные стручки могут быть получены естественным путем в ходе синтеза углеродных нанотрубок путем импульсного лазерного испарения. Примеси фуллерена C 60 образуются в процессе отжига и кислотной очистки и попадают в нанотрубки через дефекты или диффузию из паровой фазы. [11] Фуллерены внутри нанотрубки стабилизируются только при разнице диаметров 0,34 нм или менее, а когда диаметры почти одинаковы, энергия взаимодействия возрастает до такой степени (сравнимой с 0,1 ГПа), что фуллерены становятся неспособными быть извлеченными из ОСНТ. даже в условиях высокого вакуума. [4] Инкапсулированные фуллерены имеют диаметр, близкий к диаметру С 60, и образуют цепочку внутри трубки.Контролируемое производство углеродных стручков позволяет добиться большего разнообразия как в структуре нанотрубок, так и в составе фуллеренов. Различные элементы могут быть включены в углеродный стручок посредством легирования и существенно повлияют на конечные свойства теплопроводности и электропроводности.
Химические свойства
[ редактировать ]Существование углеродных стручков демонстрирует дополнительные свойства углеродных нанотрубок, такие как возможность быть строго контролируемой средой для реакций. Молекулы C 60 обычно образуют аморфный углерод при нагревании до 1000–1200 °C в условиях окружающей среды; при нагревании до такой высокой температуры внутри углеродной нанотрубки они вместо этого упорядоченным образом сливаются, образуя еще одну ОСНТ, создавая таким образом углеродную нанотрубку с двойной стенкой. [4] Благодаря легкости, с которой фуллерены могут инкапсулироваться или допироваться другими молекулами, а также прозрачности нанотрубок для электронных лучей, углеродные стручки также могут служить в качестве нанопробирок. После того, как фуллерены, содержащие реагенты, диффундируют в ОСНТ, можно использовать пучок высокоэнергетических электронов для создания высокой реакционной способности, вызывая тем самым образование димеров C 60 и слияние их содержимого. [12] [13] Кроме того, поскольку закрытые фуллерены ограничены только одномерной степенью подвижности, такие явления, как диффузия или фазовые превращения . можно легко изучать [11]
Электронные свойства
[ редактировать ]Диаметр углеродистых стручков колеблется от ок. От 1 до 50 нанометров. Различные комбинации размеров фуллерена C 60 и структуры нанотрубок могут привести к различным свойствам электропроводности углеродных стручков из-за ориентации вращений. Например, C 60 @(10,10) — хороший сверхпроводник, а стручок C 60 @(17,0) — полупроводник. Рассчитанная запрещенная зона C 60 @ (17,0) равна 0,1 эВ. [14] Исследования их потенциала в качестве полупроводников все еще продолжаются. Хотя и легированные фуллериды , и жгуты ОСНТ являются сверхпроводниками, к сожалению, критические температуры сверхпроводящего фазового перехода в этих материалах низкие. Есть надежда, что углеродные наностручки смогут быть сверхпроводящими при комнатной температуре. [15]
С помощью химического легирования электронные характеристики стручков гороха можно дополнительно регулировать. Когда стручок углерода легируется атомами щелочных металлов, таких как калий, примеси вступают в реакцию с молекулами C 60 внутри SWNT. Образует отрицательно заряженный C 60 6− ковалентно связанная одномерная полимерная цепь с металлической проводимостью. В целом, легирование ОСНТ и стручков атомами щелочного металла активно увеличивает проводимость молекулы, поскольку заряд перемещается от ионов металлов к нанотрубкам. [16] Легирование углеродных нанотрубок окисленным металлом — еще один способ регулирования проводимости. Это создает очень интересное высокотемпературное сверхпроводящее состояние, поскольку уровень Ферми значительно снижается. Хорошим применением могло бы стать введение диоксида кремния в углеродные нанотрубки. Он создает эффект памяти, поскольку некоторые исследовательские группы изобрели способы создания устройств памяти на основе углеродных стручков, выращенных на поверхностях Si/SiO 2 . [17] [18]
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Горантла, Сандип; Бёрнерт, Феликс; Бахматюк, Алисия; Димитракопулу, Мария; Шенфельдер, Ронни; Шеффель, Франциска; Томас, Юрген; Гемминг, Томас; Боровяк-Пален, Ева; Уорнер, Джейми Х.; Якобсон Борис I; Эккерт, Юрген; Бюхнер, Бернд; Руммели, Марк Х. (2010). «Наблюдения на месте синтеза и выброса фуллеренов в углеродных нанотрубках». Наномасштаб . 2 (10): 2077–9. Бибкод : 2010Nanos...2.2077G . дои : 10.1039/C0NR00426J . ПМИД 20714658 .
- ^ Хименес-Лопес, Мария дель Кармен; Чувилин Андрей; Кайзер, Юте; Хлобыстов, Андрей Н. (2011). «Функционализированные эндоэдральные фуллерены в одностенных углеродных нанотрубках». хим. Коммун . 47 (7): 2116–2118. дои : 10.1039/C0CC02929G . hdl : 10347/32317 . ПМИД 21183975 .
- ^ Барзегар, Хамид Реза; Грасиа-Эспино, Эдуардо; Ян, Прицеливание; Охеда-Аристисабал, Клаудия; Данн, Габриэль; Вогберг, Томас; Зеттл, Алекс (2015). «Гибриды C60/коллапсированных углеродных нанотрубок: вариант стручков гороха» . Нано-буквы . 15 (2): 829–34. Бибкод : 2015NanoL..15..829B . дои : 10.1021/nl503388f . ПМИД 25557832 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Иидзима, Сумио (2002). «Углеродные нанотрубки: прошлое, настоящее и будущее». Физика Б: Конденсированное вещество . 323 (1–4): 1–5. Бибкод : 2002PhyB..323....1I . дои : 10.1016/S0921-4526(02)00869-4 .
- ^ Квон, Ён-Гюн; Томанек, Давид ; Иидзима, Сумио (1999). « Устройство памяти «Баки Шаттл»: синтетический подход и моделирование молекулярной динамики». Письма о физических отзывах . 82 (7): 1470–1473. Бибкод : 1999PhRvL..82.1470K . дои : 10.1103/PhysRevLett.82.1470 .
- ^ Утко, Павел; Нюгорд, Йеспер; Монтью, Марк; Ной, Лора (2006). «Субкельвиновая транспортная спектроскопия квантовых точек фуллереновых стручков» . Письма по прикладной физике . 89 (23): 233118. Бибкод : 2006ApPhL..89w3118U . дои : 10.1063/1.2403909 . S2CID 120800423 .
- ^ Пихлер, Т.; Кузьмани, Х.; Катаура, Х.; Ачиба, Ю. (2001). «Металлические полимеры C 60 внутри одностенных углеродных нанотрубок». Письма о физических отзывах . 87 (26): 267401. Бибкод : 2001PhRvL..87z7401P . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.267401 . ПМИД 11800854 .
- ^ Бурто, Беатрис; Клей, Аньес; Смит, Брайан В.; Монтью, Марк; Луцци, Дэвид Э.; Фишер, Джон Э. (1999). «Изобилие инкапсулированного C 60 в одностенных углеродных нанотрубках» . Письма по химической физике . 310 (1–2): 21–24. Бибкод : 1999CPL...310...21B . дои : 10.1016/S0009-2614(99)00720-4 .
- ^ Смит, Брайан В.; Монтью, Марк; Луцци, Дэвид Э. (1998). «Инкапсулированный C 60 в углеродные нанотрубки». Природа . 396 (6709): 323–324. Бибкод : 1998Natur.396R.323S . дои : 10.1038/24521 . S2CID 30670931 .
- ^ Смит, Брайан В.; Монтью, Марк; Луцци, Дэвид Э. (1999). «Фуллерены, инкапсулированные в углеродные нанотрубки: уникальный класс гибридных материалов» . Письма по химической физике . 315 (1–2): 31–36. Бибкод : 1999CPL...315...31S . дои : 10.1016/S0009-2614(99)00896-9 .
- ^ Перейти обратно: а б Смит, Брайан В.; Луцци, Дэвид Э. (2000). «Механизм формирования фуллереновых стручков и коаксиальных трубок: путь к крупномасштабному синтезу». Письма по химической физике . 321 (1–2): 169–174. Бибкод : 2000CPL...321..169S . дои : 10.1016/S0009-2614(00)00307-9 .
- ^ Терронес, М (2010). «Просвечивающая электронная микроскопия: визуализация химии фуллеренов». Природная химия . 2 (2): 82–3. Бибкод : 2010НатЧ...2...82Т . дои : 10.1038/nchem.526 . ПМИД 21124394 .
- ^ Симидзу, Тошики; Лунгерих, Доминик; Харано, Кодзи; Накамура, Эйичи (24 мая 2022 г.). «Визуализация стохастических каскадных реакций с временным разрешением в интервале времени от субмиллисекунды до секунды на уровне ангстрема» . Журнал Американского химического общества . 144 (22): 9797–9805. arXiv : 2202.13332 . дои : 10.1021/jacs.2c02297 . ПМИД 35609254 . S2CID 247158917 . Проверено 26 мая 2022 г.
- ^ Чен, Цзянвэй; Донг, Цзиньмин (2004). «Электронные свойства стручков гороха: эффекты вращения фуллеренов и различных типов трубок». Физический журнал: конденсированное вещество . 16 (8): 1401–1408. Бибкод : 2004JPCM...16.1401C . дои : 10.1088/0953-8984/16/8/021 . S2CID 250811298 .
- ^ Сервис, РФ (2001). «ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА: Стручки нанотрубок демонстрируют впечатляющие перспективы». Наука . 292 (5514): 45. дои : 10.1126/science.292.5514.45 . ПМИД 11294210 . S2CID 33284325 .
- ^ Юн, Ён-Ги; Маццони, Марио СК; Луи, Стивен Г. (2003). «Квантовая проводимость стручков углеродных нанотрубок». Письма по прикладной физике . 83 (25): 5217. Бибкод : 2003ApPhL..83.5217Y . дои : 10.1063/1.1633680 .
- ^ Ли, Швейцария; Канг, КТ; Парк, Канзас; Ким, MS; Ким, HS; Ким, Х.Г.; Фишер, Дж. Э.; Джонсон, AT (2003). «Устройства нанопамяти полевого транзистора из одностенных структурных углеродных нанотрубок и пипода» . Японский журнал прикладной физики . 42 : 5392–5394. Бибкод : 2003JaJAP..42.5392L . дои : 10.1143/JJAP.42.5392 . S2CID 33790729 .
- ^ Криве, IV; Шехтер, Р.И.; Джонсон, М. (2006). «Углеродные «стручки» — новая перестраиваемая наноразмерная графитовая структура (обзор)». Физика низких температур . 32 (10): 887. Бибкод : 2006LTP....32..887K . дои : 10.1063/1.2364474 .