Одностенные УНТ являются прекрасным материалом для различного рода приложений, а особенно для наномеханических устройств и наноэлектроники. К тому же, с помощью введения различного рода допантов можно контролировать и изменять их свойства.

И хотя существует огромное множество способов введения допантов внутрь ОУНТ, наиболее привлекательным является введение допантов напрямую в полость нанотрубки, что позволяет изменять как механические свойства УНТ, так и их электропроводность. С помощью этого подхода были синтезированы и детально изучены физические свойства УНТ с внедрёнными фуллеренами и металлофуллеренами (C60,C70,C82,La@C82, La2@C80, Gd@C82, Sc2@C84, Ce@C82). Особый интерес в этом направлении представляет создание «стручков» на основе УНТ и фуллеренов и исследование взаимодействия фуллеренов между собой и стенками УНТ. Данной тематики была посвящена работа, опубликованная недавно в Nanoletters.

Рис.1. (i) (a-f) Серия TEM-изображений 5 С60 под воздействием электронного пучка (промежуток времени между каждым фото – 5 минут). (ii) (a-f) Серия TEM-изображений 5 «сросшихся» С60 под воздействием электронного пучка, движение образованного С300 (промежуток времени между каждым фото – 10 секунд)

Авторы работы поместили сначала внутрь УНТ фуллерен С60 и исследовали с помощью TEM высокого разрешения, как шарики взаимодействуют между собой и стенками нанотрубки. Под воздействием электронного пучка достаточной мощности может происходить частичный разрыв связей между атомами углерода и образование новых. Так оказалось, что из 5 фуллеренов С60 можно образовать один С300, причём он никак не будет связан со стенками нанотрубки и может свободно перемещаться и вращаться в полости УНТ (рис.1–2).

Рис.2. (i) (a-d) Серия TEM-изображений, демонстрирующих вращение С300 внутри ОУНТ (временной промежуток – 10 секунд). Справа – схематическая иллюстрация происходящих процессов. (ii) (a) TEM-изображение двух Sc@C82, разделённых одним C60. (b) Схематическое представление молекул Sc@C82 и C60. (c-d) TEM-изображения ОУНТ с внедрёнными молекулами Sc@C82 и C60

Аналогичные эксперименты по «сшиванию» электронным пучком были проделаны для смеси металлофуллеренов и С60 (рис.2–3). Из-за смещения фуллеренов и их производных относительно оси вращения УНТ, образовывались структуры, которые при вращении изменяли форму стенки углеродной нанотрубки (рис.4–5). Детальное исследование, проведённое с образцами нанотрубок, содержащих Sc3C2@C80, дало максимальное радиальное отклонение от идеальной формы 15–17%.

Рис.3. (i) (a) TEM-изображения Sc@C82 и C60 внутри ОУНТ. (b) TEM-изображение, сделанное через 10 секунд. (с) через 5 минут (фуллерены начинают соединяться). (d) через 10 секунд после (с), разворот на 180 градусов. (e) через 10 секунд после (d), разворот ещё на 180 градусов. Справа – схематическое представление происходящих процессов. (ii) (a-e) Серия TEM-изображений, демонстрирующая ротационное и поступательное движение сшитой молекулы внутри ОУНТ (временной интервал 10 сек). Справа – схематическое представление происходящих процессов

Учёные уверены, что изучение поведения фуллеренов и других веществ внутри УНТ необходимо для создания комплексов управления их движением. Авторы работы не исключают, что в скором будущем данные структуры («стручки») будут применяться в наноустройствах и управляться бесконтактным методом с использованием электронного пучка.

Рис.4. (i) (a-h) TEM-изображения ОУНТ с внедрёнными шариками Sc3C2@C80 (временной интервал 10 секунд). (ii) Схематическое представление процессов вращения в ОУНТ