富勒烯(C60)因其獨特的物理,化學(xué)以及生物特性在光電子學(xué)、太陽能電池、光學(xué)限制器、傳感器、發(fā)光器件、光學(xué)過濾器和抗病毒化合物等領(lǐng)域都有應(yīng)用的潛力。
C60分子的框架直徑為7.1 ?,呈截短的二十面體結(jié)構(gòu),由60個碳原子組成,位于20個六邊形和12個五邊形的節(jié)點上。這些節(jié)點排列在籠狀晶格中,結(jié)構(gòu)由單鍵和雙鍵交替確定。由于C60分子體積小、各向同性、呈球形,可以將其視為理想的零維(0D)單元,以此可以構(gòu)建更高維的結(jié)構(gòu),即1D、2D、3D納米材料。C60納米線作為C60的一維納米結(jié)構(gòu),因其具有高比表面積、低維度、以及勢能量子限域效應(yīng),在磁性和光子應(yīng)用中作為一維單元已經(jīng)展現(xiàn)出可行性。本文主要總結(jié)了富勒烯(C60)納米線的制備方法、分析表征手段、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分,分析了納米線的聚合過程以及重點關(guān)注了富勒烯(C60)納米線在實際應(yīng)用方面的進(jìn)展。
C60納米線的制備
目前制備C60納米線的方法有兩種:溶液直接生長法和液-液界面沉淀法(LLIP)。直接溶液生長法可以通過在飽和的C60溶液中緩慢蒸發(fā)溶劑來實現(xiàn)。溶劑分子摻入晶格中會產(chǎn)生不同的晶體形式,包括針狀和納米線狀C60晶體。實驗證明,隨著溶劑分子尺寸的增大,單元晶格的體積增大。與此不同的是,LLIP法需要使用兩種溶劑,C60納米線將在兩種溶劑的液-液界面生長。可通過改變?nèi)軇、溶劑量比和光照條件對LLIP方法進(jìn)行改進(jìn)。
C60納米線的表征
C60納米線是線狀的一維結(jié)構(gòu),長度可達(dá)幾毫米,長徑比可達(dá)4000。我們研究C60納米線的形貌、晶體結(jié)構(gòu)以及C60分子在納米線中的聚合方式是研究C60納米線應(yīng)用的一個重要方面。光學(xué)顯微鏡、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)可以用來表征C60納米線的形貌特征。X射線粉末衍射(XRD)可以對C60納米線的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)和傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)可以檢測出C60中溶劑的殘留。使用C60和C70混合溶液制備C60-C70納米線時可以采用**液相色譜(HPLC)和拉曼光譜測定上清溶液和沉淀的化學(xué)成分。熱重分析證明了C60納米線在真空中高于550℃的溫度下開始分解。
C60納米線的應(yīng)用
C60納米線保持了C60分子固有的性質(zhì),如激發(fā)態(tài)三態(tài)下的非線性性質(zhì),光轉(zhuǎn)化性質(zhì),以及C60分子與金屬或硅表面的強鍵合。此外,C60納米線還具有比表面積大、維數(shù)低、潛在的量子限域效應(yīng)等特性,這使其具有比C60分子更廣泛的應(yīng)用前景。
?在光學(xué)方面,C60具有較大的非線性光學(xué)響應(yīng),跨越可見光譜的C60納米線的高可調(diào)光敏性使得C60納米線具有在光電探測器、光伏以及電子成像中應(yīng)用的潛力。
?在電學(xué)方面,由于直徑的不同,C60納米線的電學(xué)性質(zhì)也不盡相同,從絕緣體到半導(dǎo)體。因此,C60納米線可以在絕緣體和低維半導(dǎo)體方面有潛在的應(yīng)用。此外,C60納米線可以通過摻雜鉀等堿金屬制成超導(dǎo)體。也有人嘗試將C60納米線用于甲醇燃料電池中。
?在機械方面,C60納米線優(yōu)越的機械性能也被用于機械和機電設(shè)備,用于機械結(jié)構(gòu)時,它們應(yīng)形成獨立的結(jié)構(gòu),如懸臂或雙支撐梁和膜,而不是固定在基板上。然而,利用C60納米線實現(xiàn)MEMS器件還存在許多問題:例如,器件的制造過程很困難,器件設(shè)計所必需的屬性數(shù)據(jù)仍然不完整。
?在生物方面,C60納米線能夠定位細(xì)胞內(nèi)的線粒體和其他細(xì)胞位置,在患病狀態(tài)下,這些位置會產(chǎn)生自由基,C60納米線具有大量的共軛雙鍵和較低的**未占據(jù)分子軌道(LUMO),容易吸收電子,因此極有可能受到自由基的攻擊,具有作為生物抗氧化劑的潛力。C60納米線還可以與許多超氧化物反應(yīng)而不被消耗,它們被認(rèn)為是世界上最**的自由基清道夫。
?在電化學(xué)方面,C60分子具有共軛p鍵和**的電子接受能力,可以在不含任何金屬雜質(zhì)的情況下加速電子轉(zhuǎn)移。因此,該材料可用于各種電化學(xué)傳感器。通過羧基、羥基和胺基的共價功能化以及非共價超分子相互作用,克服了C60分子特別是在水介質(zhì)中聚集和**氧化還原活性的問題,使C60分子具有水溶性,可用于電化學(xué)生物傳感。應(yīng)該提到的是,對于C60薄膜優(yōu)越的電催化活性的起源,一直存在著重大的爭論。然而,C60的電化學(xué)特性包括多重氧化還原態(tài)、多種氧化還原態(tài)的穩(wěn)定性以及易于功能化等,已被廣泛應(yīng)用于催化生化傳感器中作為識別位點和電極之間的中介。
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