Devido às suas propriedades únicas, nanotubos de carbono de parede única foram sugeridos como um material promissor para a eletrônica, óptica e em outros campos da ciência dos materiais. Quando cientistas da Universidade Umea e da Universidade Aalto tentaram realizar uma reação entre o gás hidrogênio e as moléculas de fulereno encapsuladas em nanotubos, algo muito improvável de repente pareceu possível.

"A química na escala nanométrica muitas vezes parece ser diferente em comparação com a química na escala normal e os nanotubos de carbono fornecem as condições ideais para estudos de reações em nanoespaço, "diz Alexandr Talyzin, docente do Departamento de Física, Universidade de Umeå.

A abordagem padrão para fazer recações químicas dentro de nanotubos de carbono de parede simples, SWNTs, é preencher o espaço interno com moléculas (por exemplo, fulerenos, formando assim os chamados peapods) e fazê-los reagir uns com os outros.

As paredes do nanotubo protegerão as moléculas encapsuladas do espaço sideral e tornarão as reações com moléculas e átomos fora do tubo impossíveis. Uma vez que os SWNTs são preenchidos com C ₆₀ moléculas não há espaço suficiente para as moléculas de hidrogênio entrarem. Essa era a opinião comum quando os grupos de pesquisa começaram seus experimentos há alguns anos.

Mas seus experimentos não deixam dúvidas, o hidrogênio realmente penetra nos peapods e reage com os fulerenos. A evidência é bastante direta, quando a temperatura e a pressão da hidrogenação são levadas a valores extremos, a gaiola de fulereno entra em colapso completamente e grandes moléculas de hidrogênio são formadas. Isso foi confirmado por espectroscopia Raman e TEM de alta resolução.

O estudo fornece mais um exemplo de que as reações químicas em nanorreatores nem sempre são as mesmas que em condições “normais”. Na estrutura tridimensional, as moléculas podem reagir com suas vizinhas em todas as direções possíveis, acima, baixa, direito, esquerda etc.

"Dentro dos nanotubos de carbono, a molécula de fulereno tem apenas dois vizinhos, vamos dizer à direita e à esquerda. De forma similar, a reação com hidrogênio também é limitada a uma dimensão, "diz Alexandr Talyzin.

Uma grande vantagem é que mesmo moléculas únicas dentro de SWNTs podem ser observadas usando microscopia eletrônica de alta resolução, algo extremamente difícil para pós a granel, ele adiciona. Imagens de alta qualidade coletadas na Aalto University permitiram aos cientistas observar não apenas o colapso do C60 induzido pelo hidrogênio, mas também coalescência de moléculas conduzida por hidrogênio em polímeros e túbulos em cadeia.

"O que aprendemos é um resultado bastante geral para a nanoquímica. Agora temos evidências diretas de que as moléculas dentro de SWNts podem reagir com gases. Isso abre possibilidades enormes para a síntese de novos materiais híbridos e modificação química de moléculas e materiais encapsulados, "diz Alexandr Talyzin.