Как известно, углеродные нанотрубки (УНТ) обладают внутренней полостью диаметром порядка нанометра, которая может быть заполнена атомами или молекулами различного типа. Необычные физико-химические свойства таких объектов и возможности их прикладного использования вызывают интерес, как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения.

В последние годы в число подобных объектов вошли, так называемые, «стручки» (УНТ, заполненные молекулами фуллеренов). Внутренняя структура стручков содержит необычный квантовый объект – одномерную цепочку молекул фуллеренов, которая не может быть реализована никаким другим способом кроме как с использованием нанотрубки.

Обычно основу стручка составляет одностенная нанотрубка, однако недавно группе исследователей из Университета Нагои (Япония) удалось получить новую разновидность стручка: двустенную нанотрубку, заполненную молекулами фуллеренов С₆₀ либо С₇₀. Двустенные УНТ были получены в результате термического разложения СН₄ при температуре 900^оС над поверхностью катализатора на основе Fe/MgO в отношении 3:100. Оптимальная длительность процесса роста составляла 10 минут. Для очистки образца УНТ использовали многоступенчатую процедуру, включающую термическую обработку потоком воздуха 50 мл/мин при 450^оС в течение 10 минут, приводящую к удалению частиц аморфного углерода и промывание разбавленной кислотой для удаления остатков катализатора. В результате содержание двустенных УНТ в образце достигало 96%.

Очищенные таким образом нанотрубки в течение часа отжигали на воздухе при 450^оС, что приводило к раскрытию их концов. Наблюдения, выполненные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показали, что диаметры нанотрубок лежат в диапазоне от 1 до 5 нм с максимумом в области 2–3 нм, при этом более 70% нанотрубок являются двустенными.

Для получения стручков образцы УНТ выдерживали в течение 48 часов в стеклянной трубке вместе с фуллеренами при остаточном давлении 10^-5 Торр и температуре 500^оС. Синтезированные стручки исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения, методами спектроскопии комбинационного рассеяния, рентгеновского дифракционного анализа, а также с помощью термогравиметрического анализа.

Как следует из наблюдений, молекулы фуллеренов находятся не только во внутренней полости УНТ, но также прикреплены к их наружной поверхности. Это изменяет характерные частоты в спектре комбинационного рассеяния, сдвигая их в синюю область. Результаты термогравиметрических исследований указывают на повышенную термическую стабильность двустенных стручков по сравнению с двустенными УНТ. Так, температура сгорания стручка (C₆₀)_n DWNT составляет 636,2^оС, в то время как, соответствующая величина для исходной двустенной нанотрубки составляет 581,8^о С.

Степень заполнения нанотрубок молекулами фуллеренов, оцененная на основании результатов термогравиметрического анализа, составляет около 75%.

Автор: А.В.Елецкий

1. G. Ning et al. Chemical Physics Letters 441, 94, 2007