Comment est fabriqué le fullerène ?

2024-06-27 15:27:33

Méthodes de production

Poudre de fullerène est généralement produit à l’aide de deux méthodes principales : la décharge par arc et l’ablation laser. Dans la méthode de décharge par arc, une tige de graphite est vaporisée dans un arc à haute énergie, produisant une suie contenant des fullerènes. Ces suies sont ensuite extraites et purifiées pour isoler les fullerènes. L'ablation laser consiste à vaporiser une cible en graphite avec un laser haute puissance dans une atmosphère d'hélium, ce qui produit une suie riche en fullerène.

Les fullerènes sont des composés carbonés fascinants dotés de qualités particulières qui ont suscité beaucoup d’attention dans diverses disciplines, notamment la recherche sur la santé et les matériaux. Ces structures de carbone sphériques peuvent être synthétisées efficacement à l’aide d’un certain nombre de techniques de fabrication.

Méthode de décharge d'arc : Dans cette méthode, un arc électrique haute tension est généré entre deux électrodes de graphite dans une atmosphère inerte, comme l'hélium ou l'argon. La chaleur intense vaporise le graphite et la vapeur de carbone qui en résulte se condense pour former des fullerènes. 

Ablation au laser: L'ablation laser consiste à vaporiser une cible de carbone solide, généralement du graphite, avec un faisceau laser de haute puissance dans une atmosphère de gaz inerte. La vapeur de carbone résultante refroidit rapidement, permettant la formation de fullerènes. Cette méthode offre un contrôle précis du processus et peut produire des fullerènes de haute pureté.

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : La CVD implique le dépôt d'atomes de carbone sur un substrat à partir d'un gaz précurseur contenant du carbone, tel que le méthane ou l'acétylène, à des températures élevées. Les fullerènes peuvent être produits en contrôlant les conditions de dépôt, telles que la température, la pression et la composition du gaz. Le CVD est avantageux pour produire des fullerènes avec des tailles et des formes spécifiques pour diverses applications.

Pyrolyse de composés organiques : Les fullerènes peuvent également être synthétisés par pyrolyse de composés organiques contenant du carbone, tels que des hydrocarbures aromatiques ou des précurseurs de fullerènes. La décomposition de ces composés à haute température conduit à la formation de fullerènes parmi les produits.

Extraction par solvant: Cette méthode consiste à dissoudre une matière carbonée, telle que de la suie ou du graphite, dans un solvant approprié, suivie d'une extraction et d'une purification des fullerènes à l'aide de techniques telles que la chromatographie ou la filtration. L'extraction par solvant est utile pour isoler les fullerènes de mélanges complexes.

fullerène c60

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

Une technique différente appelée dépôt chimique en phase vapeur (CVD) consiste à chauffer un gaz contenant du carbone, comme le méthane, en présence d'un catalyseur métallique. Poudre de fullerène les structures sont créées lorsque des atomes de carbone sont placés sur la surface du catalyseur. Ce procédé est appliqué à la synthèse de fullerènes particuliers, notamment des nanotubes de carbone à simple paroi. Ici, nous approfondissons les diverses méthodes et applications du CVD.

CVD thermique : Dans le CVD thermique, les gaz précurseurs sont chauffés à des températures élevées, généralement entre 500°C et 1200 XNUMX°C, pour initier des réactions chimiques à la surface du substrat. La température élevée fournit l’énergie nécessaire pour que les molécules précurseurs se décomposent et réagissent, formant un film mince sur le substrat.

CVD basse pression : Le CVD basse pression fonctionne à des pressions réduites par rapport à la pression atmosphérique, allant généralement de quelques millibars à quelques torrs. L'abaissement de la pression améliore le contrôle du processus de dépôt et favorise une croissance uniforme du film en réduisant les collisions en phase gazeuse et en augmentant le libre parcours moyen des molécules précurseurs.

CVD amélioré par plasma (PECVD) : Le PECVD utilise le plasma pour améliorer la décomposition des gaz précurseurs et favoriser le dépôt de film à des températures plus basses que le CVD thermique. Le plasma, généré par l'application d'un champ électrique au gaz précurseur, fournit une énergie supplémentaire pour rompre les liaisons chimiques et initier des réactions de dépôt, permettant ainsi la croissance de films à des températures aussi basses que la température ambiante.

Dépôt de couche atomique (ALD) : L'ALD est une forme hautement contrôlée de CVD qui implique des réactions de surface séquentielles et autolimitantes pour déposer des films minces avec une précision atomique. Des impulsions alternées de gaz précurseurs sont introduites sur la surface du substrat, permettant à une couche atomique de se déposer par cycle. ALD permet un contrôle précis de l’épaisseur, de l’uniformité et de la composition du film, ce qui le rend idéal pour les applications nécessitant un dépôt précis à l’échelle nanométrique.

Dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) : MOCVD est spécialisé dans le dépôt de films minces contenant des métaux, en particulier des matériaux semi-conducteurs comme le nitrure de gallium (GaN) et le phosphure d'indium (InP). Les précurseurs organométalliques sont essentiels à la production de dispositifs semi-conducteurs et d'applications optoélectroniques, car ils peuvent être utilisés avec d'autres gaz réactifs pour déposer des films minces dotés de propriétés électriques et optiques spécifiques.

Purification des fullerènes

Après la fabrication, poudre de fullerène sont généralement extraits de la suie à l’aide d’une méthode d’extraction par solvant. La suie est dissoute dans un solvant, tel que le toluène ou le sulfure de carbone, et les fullerènes sont séparés des autres matières carbonées. Après l'extraction, les fullerènes sont purifiés au moyen de méthodes telles que la chromatographie liquide haute performance (HPLC) ou la chromatographie sur colonne.

Le processus de purification du fullerène est essentiel pour utiliser les qualités particulières de ces molécules de carbone dans divers domaines, tels que la science des matériaux, l'électronique et la médecine. L’objectif des techniques de purification est de séparer des espèces particulières de fullerènes et d’éliminer les contaminants afin de produire des matériaux de haute pureté destinés à des applications de pointe. Ici, nous examinons les techniques de purification des fullerènes.

Chromatographie sur colonne : La chromatographie sur colonne est une technique largement utilisée pour séparer les mélanges de fullerènes en fonction des différences dans leurs propriétés chimiques, telles que la solubilité et la polarité. Le mélange de fullerènes passe à travers une colonne remplie d'une phase stationnaire et, au fur et à mesure de son déplacement dans la colonne, les espèces de fullerènes individuelles interagissent différemment avec la phase stationnaire, conduisant à leur séparation.

Chromatographie Liquide Haute Performance (HPLC): La HPLC offre une résolution plus élevée et une séparation plus rapide par rapport à la chromatographie sur colonne traditionnelle. Il s’agit de pomper le mélange de fullerènes à travers une colonne à haute pression, généralement remplie d’une phase stationnaire de fine granulométrie. En ajustant des paramètres tels que la composition du solvant et le débit, des espèces spécifiques de fullerène peuvent être isolées avec précision.

Recristallisation : La recristallisation exploite les différences de solubilité entre poudre de fullerène et des impuretés pour purifier les échantillons de fullerène. Le mélange de fullerènes est dissous dans un solvant approprié et, lors d'un refroidissement ou d'une évaporation contrôlée, des cristaux de fullerènes purs se forment tandis que les impuretés restent en solution ou précipitent séparément. Cette méthode est efficace pour obtenir des échantillons de fullerène de haute pureté.

Sublimation: La sublimation consiste à chauffer un mélange solide de fullerènes et d'impuretés à une température où les fullerènes se subliment, ou passent directement de la phase solide à la phase vapeur, laissant les impuretés derrière eux. La vapeur résultante est ensuite condensée et collectée, produisant des échantillons de fullerène purifiés. La sublimation est particulièrement utile pour éliminer les impuretés volatiles.

Extraction par solvant: L'extraction par solvant repose sur les différences de solubilité entre les fullerènes et les impuretés dans un système de solvant. Après dissolution du mélange de fullerènes dans un solvant, les fullerènes sont séparés des autres composants à l'aide de procédures d'extraction sélective, notamment l'extraction liquide-liquide ou l'extraction en phase solide. Plusieurs étapes d’extraction peuvent être nécessaires pour obtenir un haut niveau de pureté.

c60 fullerène

Les chercheurs peuvent acquérir des échantillons de fullerène dotés de propriétés personnalisées et d’une grande pureté en utilisant ces procédures de purification seules ou en combinaison. Cela permet aux chercheurs d’utiliser pleinement le fullerène dans la création de matériaux et de technologies innovants pour une gamme d’applications. Pour utiliser pleinement les promesses des matériaux formés à partir de fullerènes, davantage de recherches et de nouvelles méthodes de purification sont nécessaires.

Pour aller plus loin

En conclusion, poudre de fullerène Ce sont des molécules de carbone aux propriétés uniques et qui peuvent être appliquées dans différentes industries. Leur synthèse fait appel à un certain nombre de méthodes, notamment le dépôt chimique en phase vapeur, l'ablation laser et la décharge par arc. Les fullerènes sont ensuite séparés par purification.

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