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Vaina de guisante de carbono

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

El peapod de carbono es un nanomaterial híbrido que consiste en fulerenos esferoidales encapsulados dentro de un nanotubo de carbono . Recibe su nombre debido a su parecido con la vaina de la semilla de la planta del guisante. Dado que las propiedades de los peapods de carbono difieren de las de los nanotubos y fulerenos, 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 , matrices de espín-cúbits 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, por sus siglas en inglés) se observaron por primera vez en 1993 como cilindros laminados a partir de una única lámina de grafeno . En 1998, Brian Smith, Marc Monthioux y David Luzzi observaron la primera vaina de guisante. [7] La ​​idea de las vainas de guisante surgió de la estructura que se produjo dentro de un microscopio electrónico de transmisión en 2000. [4] Se reconocieron por primera vez en fragmentos obtenidos mediante una síntesis de vaporización por láser pulsado seguida de un tratamiento con un ácido y recocido. [8] [9] [10]

Producción y estructura

Los fulerenos de carbono se pueden producir de forma natural durante la síntesis de nanotubos de carbono mediante vaporización con láser pulsado. Las impurezas de fulerenos C60 se forman durante el tratamiento de recocido y la purificación ácida, y entran en los nanotubos a través de defectos o difusión en fase de vapor. [11] Los fulerenos dentro de un nanotubo solo se estabilizan con una diferencia de diámetro de 0,34 nm o menos, y cuando los diámetros son casi idénticos, la energía de interacción aumenta hasta tal punto (comparable a 0,1 GPa) que los fulerenos se vuelven incapaces de ser extraídos del nanotubo de carbono incluso en alto vacío. [4] Los fulerenos encapsulados tienen diámetros cercanos al de C60 y forman una cadena dentro del tubo. La producción controlada de fulerenos de carbono permite una mayor variedad tanto en la estructura del nanotubo como en la composición de fulerenos. Se pueden incorporar diversos elementos a un fulereno de carbono mediante dopaje y esto afectará drásticamente las propiedades de conductividad térmica y eléctrica resultantes.

Propiedades químicas

La existencia de cápsulas 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 C60 normalmente forman carbono amorfo cuando se calientan a 1000–1200 °C en condiciones ambientales; cuando se calientan a una temperatura tan alta dentro de un nanotubo de carbono, en cambio 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 fulerenos pueden encapsularse o ser dopados con otras moléculas y la transparencia de los nanotubos a los haces de electrones, las cápsulas de carbono también pueden servir como tubos de ensayo a escala nanométrica. Después de que los fulerenos que contienen reactivos se difunden en un SWNT, se puede utilizar un haz de electrones de alta energía para inducir una alta reactividad, desencadenando así la formación de dímeros de C60 y la fusión de sus contenidos. [12] [13] Además, debido a que los fulerenos encerrados están limitados a un grado de movilidad unidimensional, fenómenos como la difusión o las transformaciones de fase se pueden estudiar fácilmente. [11]

Propiedades electrónicas

El diámetro de los peapods de carbono varía de aproximadamente 1 a 50 nanómetros. Varias combinaciones de tamaños de fulerenos 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 peapod C 60 @ (17,0) es un semiconductor. La brecha de banda calculada de C 60 @ (17,0) es igual a 0,1 eV. [14] La investigación sobre su potencial como semiconductores aún está en curso. Aunque tanto los fulerinos dopados como 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 nano-peapods de carbono puedan ser superconductores a temperatura ambiente. [15]

Con el dopaje químico, las características electrónicas de los nanotubos de carbono se pueden ajustar aún más. Cuando el nanotubo de carbono se dopa con átomos de metales alcalinos como el potasio, los dopantes reaccionarán con las moléculas C60 dentro del nanotubo de carbono de superficie plana. Se forma una cadena polimérica unidimensional C60 6− con carga negativa y unión covalente con conductividad metálica. En general, el dopaje de los nanotubos de carbono y los nanotubos de carbono con átomos de metales alcalinos mejora activamente la conductividad de la molécula, ya que la carga se reubica de los iones metálicos a los nanotubos. [ 16 ] El dopaje de los nanotubos de carbono con metal oxidado es otra forma de ajustar la conductividad. Crea un estado superconductor de alta temperatura muy interesante, ya que el nivel de Fermi se reduce significativamente. Una buena aplicación sería la introducción de dióxido de silicio en los nanotubos de carbono. Crea un efecto memoria, ya que algunos grupos de investigación han inventado formas de crear dispositivos de memoria basados ​​en nanotubos de carbono cultivados en superficies de Si/SiO2 . [ 17] [18]

Referencias

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Carbon peapods .
  1. ^ Gorantla, Sandeep; Börrnert, Félix; Bachmatiuk, Alicja; Dimitrakopoulou, María; Schönfelder, Ronny; Schäffel, Franziska; Thomas, Jürgen; Gemando, 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 Bib : 2010Nanos...2.2077G. doi :10.1039/C0NR00426J. PMID  20714658.
  2. ^ Gimenez-Lopez, Maria del Carmen; Chuvilin, Andrey; Kaiser, Ute; Khlobystov, Andrei N. (2011). "Fulherenos endoédricos funcionalizados en nanotubos de carbono de pared simple". Química Común . 47 (7): 2116–2118. doi :10.1039/C0CC02929G. hdl : 10347/32317 . PMID  21183975.
  3. ^ Barzegar, Hamid Reza; Gracia-Espino, Eduardo; Yan, Aiming; Ojeda-Aristizabal, Claudia; Dunn, Gabriel; Wågberg, Thomas; Zettl, Alex (2015). "Híbridos de nanotubos de carbono colapsados/C60: una variante de los guisantes". Nano Letters . 15 (2): 829–34. Bibcode :2015NanoL..15..829B. doi : 10.1021/nl503388f . PMID  25557832.
  4. ^ abcd Iijima, Sumio (2002). "Nanotubos de carbono: pasado, presente y futuro". Physica B: Condensed Matter . 323 (1–4): 1–5. Bibcode :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". Physical Review Letters . 82 (7): 1470–1473. Código Bibliográfico :1999PhRvL..82.1470K. doi :10.1103/PhysRevLett.82.1470.
  6. ^ Utko, Pawel; Nygard, Jesper; Monthioux, Marc; Noé, Laure (2006). "Espectroscopia de transporte sub-Kelvin de puntos cuánticos de guisantes de fullereno". Letras de Física Aplicada . 89 (23): 233118. Código bibliográfico : 2006ApPhL..89w3118U. doi : 10.1063/1.2403909. S2CID  120800423.
  7. ^ Pichler, T.; Kuzmany, H.; Kataura, H.; Achiba, Y. (2001). "Polímeros metálicos de C 60 en el interior de nanotubos de carbono de pared simple". Physical Review Letters . 87 (26): 267401. Bibcode :2001PhRvL..87z7401P. doi :10.1103/PhysRevLett.87.267401. PMID  11800854.
  8. ^ Burteaux, Beatrice; Claye, Agnès; Smith, Brian W.; Monthioux, Marc; Luzzi, David E.; Fischer, John E. (1999). "Abundancia de C60 encapsulado en nanotubos de carbono de pared simple". Chemical Physics Letters . 310 (1–2): 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". Nature . 396 (6709): 323–324. Código Bibliográfico :1998Natur.396R.323S. doi :10.1038/24521. S2CID  30670931.
  10. ^ Smith, Brian W.; Monthioux, Marc; Luzzi, David E. (1999). "Fulerenos encapsulados en nanotubos de carbono: una clase única de materiales híbridos". Chemical Physics Letters . 315 (1–2): 31–36. Bibcode :1999CPL...315...31S. doi : 10.1016/S0009-2614(99)00896-9 .
  11. ^ ab Smith, Brian W.; Luzzi, David E. (2000). "Mecanismo de formación de fulerenos en forma de vainas y tubos coaxiales: un camino hacia la síntesis a gran escala". Chemical Physics Letters . 321 (1–2): 169–174. Bibcode :2000CPL...321..169S. doi :10.1016/S0009-2614(00)00307-9.
  12. ^ Terrones, M (2010). "Microscopía electrónica de transmisión: visualización de la química de los fulerenos". Nature Chemistry . 2 (2): 82–3. Bibcode :2010NatCh...2...82T. doi :10.1038/nchem.526. PMID  21124394.
  13. ^ Shimizu, Toshiki; Lungerich, Dominik; Harano, Koji; Nakamura, Eiichi (24 de mayo de 2022). "Imágenes con resolución temporal de reacciones en cascada estocásticas en un rango de tiempo de submilisegundos a segundos en el nivel de angstrom". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 144 (22): 9797–9805. arXiv : 2202.13332 . doi :10.1021/jacs.2c02297. PMID:  35609254. S2CID  : 247158917. Consultado el 26 de mayo de 2022 .
  14. ^ Chen, Jiangwei; Dong, Jinming (2004). "Propiedades electrónicas de las vainas de guisante: efectos de la rotación de fulerenos y diferentes tipos de tubos". Journal of Physics: Condensed Matter . 16 (8): 1401–1408. Bibcode :2004JPCM...16.1401C. doi :10.1088/0953-8984/16/8/021. S2CID  250811298.
  15. ^ Service, RF (2001). "FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO: Los nanotubos 'Peapods' muestran una promesa electrizante". Science . 292 (5514): 45. doi :10.1126/science.292.5514.45. PMID  11294210. S2CID  33284325.
  16. ^ Yoon, Young-Gui; Mazzoni, Mario SC; Louie, Steven G. (2003). "Conductancia cuántica de vainas de guisantes de nanotubos de carbono". Applied Physics Letters . 83 (25): 5217. Bibcode :2003ApPhL..83.5217Y. doi :10.1063/1.1633680.
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  18. ^ Krive, IV; Shekhter, RI; Jonson, M. (2006). ""Guisantes" de carbono: una nueva estructura grafítica a escala nanométrica ajustable (revisión)". Física de bajas temperaturas . 32 (10): 887. Bibcode :2006LTP....32..887K. doi :10.1063/1.2364474.