Kemi i én dimension giver overraskende resultater

På grund af deres unikke egenskaber er enkeltvæggede kulstof nanorør blevet foreslået som et lovende materiale til elektronik, optik og andre områder inden for materialevidenskab. Da forskere fra Umea University og Aalto University forsøgte at udføre en reaktion mellem hydrogengas og fullerenmolekyler indkapslet i nanorør, syntes pludselig meget usandsynligt muligt.

"Kemi på nanometerskalaen ser ofte ud til at være anderledes end kemi i den normale skala, og kulstofnanorør giver ideelle betingelser for undersøgelser af reaktioner i nanospace, "siger Alexandr Talyzin, docent ved Institut for Fysik, Umeå Universitet.

Standardgodkendelse til at foretage kemiske recationer inde i enkeltvæggede carbon nanorør, SWNT'er, er at fylde det indre rum med molekyler (f.eks. fullerener, danner såkaldte peapods) og får dem til at reagere med hinanden.

Nanorørsvæggene vil så beskytte de indkapslede molekyler fra det ydre rum og umuliggøre reaktioner med molekyler og atomer uden for røret. Når SWNT'erne er fyldt med C ₆₀ molekyler er der ikke plads nok til, at brintmolekyler kan gå i. Det var den gængse opfattelse, da forskergrupperne startede deres eksperimenter for et par år siden.

Men deres eksperimenter efterlader ingen tvivl, brint trænger faktisk ind i peapods og reagerer med fullerener. Beviserne er ret direkte, når temperaturen og trykket ved hydrogenering bringes til ekstreme værdier, kollapser fullerenburet fuldstændigt, og der dannes store brintmolekyler. Dette blev bekræftet både ved Raman -spektroskopi og TEM i høj opløsning.

Undersøgelsen giver endnu et eksempel på, at kemiske reaktioner i nanoreaktorer ikke altid er de samme som under "normale" forhold. I tredimensionel struktur kan molekyler reagere med deres naboer i alle mulige retninger, op, ned, ret, venstre osv.

"Inde i kulstofnanorør har fullerenmolekylet kun to naboer, lad os sige til højre og venstre. Tilsvarende reaktionen med brint er også begrænset til en-dimension, " siger Alexandr Talyzin.

En stor fordel er, at selv enkelte molekyler inde i SWNT'er kan observeres ved hjælp af højopløsningselektronmikroskopi, noget ekstremt svært for bulkpulvere, tilføjer han. Højkvalitetsbilleder indsamlet på Aalto Universitet gjorde det muligt for forskerne at observere ikke kun brint-induceret kollaps af C60, men også brintdreven koalescens af molekyler til kædepolymerer og tubuli.

"Det, vi lærte, er et ret generelt resultat for nano-kemi. Nu har vi direkte bevis for, at molekyler inde i SWNts kan reageres med gasser. Det åbner enorme muligheder for syntese af nye hybridmaterialer og kemisk modifikation af indkapslede molekyler og materialer, "siger Alexandr Talyzin.