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　　近日，中國(guó)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(guò)三個(gè)彎曲型分子連接兩個(gè)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(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

　　無(wú)獨(dú)有偶。幾乎在同時(shí)，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(shí)驗(yàn)室的研究人員，使用功能化碳納米管生產(chǎn)出首個(gè)能在室溫下使用通信波長(zhǎng)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(guó)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(gè)方向擴(kuò)展六角網(wǎng)格，并賦予平面網(wǎng)格以碳—碳原子和共價(jià)鍵，就形成了具有中空?qǐng)A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(shí)際上它的直徑只有頭發(fā)絲的幾萬(wàn)分之一，即幾萬(wàn)根碳納米管并排起來(lái)才與一根頭發(fā)絲相當(dāng)?！倍牌轿浣淌诟嬖V科技日?qǐng)?bào)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(bào)道的最細(xì)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：?jiǎn)伪谔技{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(jiǎn)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(shí)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(shuō)，后續(xù)逐步發(fā)展起來(lái)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(guò)程與有機(jī)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?！倍牌轿湔f(shuō)，在強(qiáng)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(guò)類似于DNA擴(kuò)增的方式對(duì)碳納米管進(jìn)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(shí)間內(nèi)復(fù)制、擴(kuò)增出數(shù)量幾百萬(wàn)倍于模板數(shù)量的、同類型的碳納米管?！倍牌轿湔f(shuō)，這可能會(huì)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(jià)鍵結(jié)合，形成自然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，因此軸向具有很高的強(qiáng)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(méi)有懸掛鍵，所以碳納米管具有穩(wěn)定的化學(xué)特性?！倍牌轿湔f(shuō)，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(jì)算機(jī)”。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(shì)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?xì)錃怏w，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(xì)現(xiàn)象的最細(xì)毛細(xì)管，給化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)的最細(xì)試管，科學(xué)家甚至研制出能稱量單個(gè)原子的“納米秤”。“我國(guó)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(biāo)也逐年刷新?！倍牌轿湔f(shuō)。

　?。ㄔd于《科技日?qǐng)?bào)》 2018-07-19 05版）