В последние годы значительное внимание уделяется карбинам — длинным линейным углеродным цепочкам (LLCCs), поскольку у них прогнозируются исключительные свойства. Однако экспериментально изучить их свойства было сложно из-за низкой стабильности. Для повышения стабильности необходимо заключать LLCCs в углеродные нанотрубки (CNTs) малого диаметра.
Исследователи разработали новый метод синтеза одностенных углеродных нанопроводов малого диаметра (SWCNWs) с высокой плотностью LLCCs, заключённых в одностенные CNTs. Их исследование опубликовано в журнале Chemical Physics Letters.
Углерод и его аллотропы
Углерод известен тем, что существует во многих различных физических формах, или аллотропах. Он может быть в трёхмерных (3D) формах, таких как графит и алмаз, в двумерных (2D) структурах, таких как графен, или даже в линейных углеродных цепях (LCCs).
Среди них карбины, чрезвычайно длинные цепочки из отдельных атомов углерода, также известные как длинные LCCs (LLCCs), привлекли значительное внимание исследователей. Прогнозируется, что они обладают выдающейся теоретической механической прочностью и теплопроводностью, что делает их перспективными для различных применений в таких областях, как нанотехнологии и хранение энергии.
Экспериментально исследователям было сложно подробно изучить свойства LLCCs. Это связано с тем, что они нестабильны в условиях окружающей среды из-за высокой реактивности обнажённых атомов углерода.
Один из проверенных способов решения этой проблемы — вставка LLCCs в углеродные нанотрубки (CNTs), создание так называемых углеродных нанопроводов (CNWs).
Новый метод синтеза
За последнее десятилетие был разработан многообещающий метод синтеза CNWs, при котором небольшие углеродные молекулы, заключённые внутри CNTs, нагреваются при высоких температурах. LLCCs наиболее стабильны внутри одностенных углеродных нанотрубок (SWCNTs) диаметром 0,7–0,8 нанометра (нм). Однако большинство предыдущих попыток приводило к получению одностенных CNWs (SWCNWs) диаметром более 0,9 нм.
Исследовательская группа под руководством профессора Такахиро Маруямы из отдела прикладной химии Университета Мейдзё, Япония, разработала высокоэффективный метод синтеза SWCNWs малого диаметра с высокой плотностью LLCCs.
«Недавно было показано, что, инкапсулируя полиин в SWCNTs, можно получить углеродные нанопровода малого диаметра», — объясняет профессор Маруяма. «Основываясь на этом, мы синтезировали одностенные углеродные нанопровода с ещё меньшими диаметрами, одновременно достигнув значительно более высокой концентрации LLCCs».
Для изготовления нанопроводов команда сначала смешала открытые SWCNTs с раствором н-гексана, содержащим очищенные молекулы полиина различной концентрации. Затем смесь нагревали до температуры 80 °C в течение 24 часов в реакторе высокого давления, что позволило молекулам полиина проникнуть в SWCNTs.
Полученные полииновые SWCNTs (polyyne@SWCNTs) затем нагревали до 700 °C в условиях высокого вакуума в течение четырёх часов, превращая их в LLCCs@SWCNTs, или, другими словами, в SWCNWs.
Команда подтвердила эффективное инкапсулирование молекул полиина в SWCNTs на первом этапе и последующее формирование SWCNWs с помощью рамановской спектроскопии.
Эксперименты также показали, что концентрация LLCCs в SWCNWs увеличивалась с концентрацией молекул полиина в исходном растворе н-гексана. Оптимизируя эту концентрацию, исследователи смогли синтезировать SWCNWs с рекордно высокой плотностью LLCCs.
Примечательно, что полученные образцы SWCNW имели диаметры всего 0,73–0,77 нм, что намного меньше, чем сообщалось в предыдущих исследованиях. Такой малый диаметр был достигнут благодаря малому размеру молекул полиина.
Как объясняет профессор Маруяма, «в наших экспериментах в качестве источника углерода использовались молекулы полиина со стройной линейной формой, диаметр которых почти совпадает с диаметром Ван-дер-Ваальса атомов углерода. В отличие от предыдущих исследований, использовались относительно более крупные молекулы-предшественники, что приводило к получению SWCNWs с диаметрами более 0,9 нм».
Кроме того, отношение L-диапазона к G-диапазону в рамановском спектре, показатель, отражающий количество и плотность LLCCs, достигло 3,6 для оптимизированных образцов, что является самым высоким значением, о котором сообщалось на сегодняшний день для таких SWCNWs малого диаметра.
«Наш метод синтеза одностенных углеродных нанопроводов малого диаметра с высокой плотностью поможет исследователям изучить точные свойства LLCCs», — добавляет профессор Маруяма. «Это может привести к прорывам во многих областях, от нанотехнологий до сенсоров и хранения энергии».
В целом, эта работа представляет собой важный шаг вперёд для исследований LLCCs, приближая исследователей к раскрытию всего потенциала длинных линейных углеродных цепочек.
Предоставлено:
Университет Мейдзё