Международная группа исследователей смогла зафиксировать поведение индивидуальных атомов металла, перемещающихся и вступающих в реакции в границах углеродных нанотрубок. Результаты их исследования не только демонстрируют новые возможности аналитической техники, но и показывают, что внутренняя поверхность фуллеренов и нанотрубок не такая инертная, как считалось ранее.

Андрей Чувилин (Andrey Chuvilin), работающий в Университете Ульма (Германия), инкапсулировали единичные атомы диспрозия в полости фуллеренов, состоящих из 82 атомов углерода, после чего поместили «заполненные диспрозием клетки» в одностенные углеродные нанотрубки, в которых фуллерены размещались подобно горошинам в стручке.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии с аберрационной коррекцией (aberration-corrected transmission electron microscopy) исследователи смогли непосредственно наблюдать взаимодействие атомов диспрозия с фуллереном и нанотрубкой.

Единичные атомы диспрозия инкапсулированы в фуллерены C₈₂, которые выстраиваются в линию при помещении в углеродные нанотрубки. Через некоторое время из-за разрушения связей углерод-углерод в присутствии диспрозия фуллерены сливаются

Работавший над проектом Андрей Хлобыстров (Andrei Khlobystov) из Университета Нотингема отмечает, что новая методика позволяет использовать пучок электронов меньшей энергии, чем нужен для обычной просвечивающей электронной микроскопии. Высокоэнергетичный пучок электронов, применяющийся в обычной ТЕМ, может повредить анализируемые структуры, поэтому новый метод позволяет наблюдать свойства объектов, не являющиеся результатом использования микроскопа.

Исследователи могли наблюдать, как атомы диспрозия пытались «разжевать» стенки клетки из фуллерена, временами ускользая из нее. Находящиеся рядом поврежденные фрагменты фуллеренов сливались с образованием небольших нанотрубок. Тем временем высвободившиеся атомы диспрозия образуют кластеры, в свою очередь, атаковавшие стену главной нанотрубки, разрушая ее.

Хлобыстов отмечает, что разрушение связей углерод-углерод в фуллеренах и нанотрубках катализируется диспрозием. Один атом диспрозия способен разрушить углерод-углеродную связь фуллерена, однако для разрушения более термодинамически стабильной (в сравнении с фуллереном) нанотрубки требуется кластер, состоящий из семи-восьми атомов диспрозия.

По словам исследователей, результаты работы демонстрируют, что просвечивающая электронная микроскопия с аберрационной коррекцией позволяет наблюдать сложные взаимодействия на беспрецедентном уровне разрешения, позволяющего различать отдельные атомы углерода в стенке нанотрубки. Помимо этого, исследователи, к своему удивлению, обнаружили, что стенка нанотрубки может быть разрушена частицами, содержащимися в нанотрубке, опровергнув бытовавшее мнение о химической инертности внутренних стенок нанотрубок.