近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院杜平武教授課題組，首次利用納米管稠環(huán)封端“帽子”模板，構(gòu)建出縱向切割的納米管彎曲片段。這種通過三個彎曲型分子連接兩個石墨烯單元的方法，可直接得到納米籠狀結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建封端鋸齒型碳納米管提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期《德國應(yīng)用化學(xué)》上。

無獨有偶。幾乎在同時，以研制出世界上第一顆原子彈而聞名于世的洛斯阿拉莫斯實驗室的研究人員，使用功能化碳納米管生產(chǎn)出首個能在室溫下使用通信波長發(fā)射單光子的碳納米管材料。神奇材料碳納米管，為何如此受各國科學(xué)家追捧？

空間結(jié)構(gòu)像“挖空的足球”

1985年，“足球”結(jié)構(gòu)的C60一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即吸引了全世界的目光。將“足球”挖空，保持表面的五角和六角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再沿著一個方向擴展六角網(wǎng)格，并賦予平面網(wǎng)格以碳—碳原子和共價鍵，就形成了具有中空圓柱狀結(jié)構(gòu)的碳納米管。

碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。其主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，層與層之間保持固定的距離，約0.34納米，直徑一般為2—20納米。

“可以將碳納米管聯(lián)想為頭發(fā)絲，而實際上它的直徑只有頭發(fā)絲的幾萬分之一，即幾萬根碳納米管并排起來才與一根頭發(fā)絲相當?！倍牌轿浣淌诟嬖V科技日報記者，作為典型的一維納米結(jié)構(gòu)，單層碳原子和多層碳原子網(wǎng)格卷曲而成的單壁與多壁碳納米管，直徑通常為0.8—2納米和5—20納米，目前報道的最細碳納米管直徑可小至0.4納米。

杜平武告訴記者，碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為：單壁碳納米管和多壁碳納米管。若依其結(jié)構(gòu)特征，碳納米管則可分為扶手椅形納米管和鋸齒形納米管等幾種類型。

制備方法是挑戰(zhàn)

“通常的碳納米管制備方法主要有電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法、固相熱解法、輝光放電法、氣體燃燒法以及聚合反應(yīng)合成法等?！倍牌轿涓嬖V記者，電弧放電法是生產(chǎn)碳納米管的主要方法。1991年日本物理學(xué)家飯島澄男就是從電弧放電法生產(chǎn)的碳纖維中首次發(fā)現(xiàn)的碳納米管?！斑@種方法比較簡單，但很難得到純度較高的碳納米管，并且得到的往往都是多層碳納米管，而實際研究中人們往往需要的是單層碳納米管?！?p>“隨后科研人員又發(fā)展出了化學(xué)氣相沉積法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷，得到的碳納米管純度比較高，但管徑不整齊，形狀不規(guī)則?！倍牌轿湔f，后續(xù)逐步發(fā)展起來的固相熱解法等，均受限于環(huán)境和條件。

“碳納米管的制備過程與有機合成反應(yīng)類似，其副反應(yīng)復(fù)雜多樣，很難保證同一爐碳納米管均為扶手椅形納米管或鋸齒形納米管。”杜平武說，在強酸、超聲波作用下，碳納米管可以先斷裂為幾段，再在一定納米尺度催化劑顆粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳納米管與模板的卷曲方式相同。

“如果通過類似于DNA擴增的方式對碳納米管進行增殖，那么只需找到少量的扶手椅形納米管或鋸齒形納米管，便可在短時間內(nèi)復(fù)制、擴增出數(shù)量幾百萬倍于模板數(shù)量的、同類型的碳納米管?！倍牌轿湔f，這可能會成為制備高純度碳納米管的新方式。

性能及尺寸超越硅基材料

“碳納米管具有完美的一維管式結(jié)構(gòu)，碳原子以碳—碳共價鍵結(jié)合，形成自然界中最強的化學(xué)鍵之一，因此軸向具有很高的強度和韌性。此外六角平面蜂窩結(jié)構(gòu)圍成的管壁側(cè)面沒有懸掛鍵，所以碳納米管具有穩(wěn)定的化學(xué)特性。”杜平武說，碳納米管優(yōu)異的性能表現(xiàn)在電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等方面，具有超越傳統(tǒng)的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性等等。

2013年，斯坦福大學(xué)科學(xué)家制備了由平行排列的單壁碳納米管為主要元器件的世界上最小“計算機”。近兩年，碳納米管電子器件的性能及尺寸又一次次被突破，勢在超越并最終取代目前商用的硅基器件。

碳納米管還可以制成透明導(dǎo)電的薄膜，用作觸摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氫氣體，不受稀有礦產(chǎn)資源的限制。碳納米管觸摸屏具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴裝置、智能家具等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細現(xiàn)象的最細毛細管，給化學(xué)家提供了進行納米化學(xué)反應(yīng)的最細試管，科學(xué)家甚至研制出能稱量單個原子的“納米秤”。“我國在碳納米管材料的基礎(chǔ)研究方面處于領(lǐng)先地位，結(jié)構(gòu)均一性的控制方法和理論不斷創(chuàng)新，控制指標也逐年刷新?！倍牌轿湔f。