单壁碳纳米管的受控合成

在铂表面上，平面碳氢化合物前体折叠成一个端盖，而后者又充当了定义明确的（6,6）碳纳米管生长的种子。

一项新研究详细介绍了马克斯·普朗克研究所和EMPA的研究人员如何首次成功地“生长”具有单一预定义结构的单壁碳纳米管。

EMPA和马克斯·普朗克固体研究所的研究人员首次成功地“生长”了具有单一预定义结构的单壁碳纳米管（CNT），因此具有相同的电子特性。研究人员在最新一期的《自然》杂志上报道，碳纳米管是从铂表面上的量身定制的有机前体分子“组装”而成的。将来，这种CNT可用于超灵敏光检测器和超小型晶体管中。

20年来，碳纳米管（CNT）一直是基础研究和应用研究的主题。凭借其非凡的机械，热和电子性能，这些带有石墨蜂窝格的细管已成为纳米材料的典范。它们可以帮助创建比以往任何时候都更小的下一代电子和光电组件，从而实现更快的切换时间。

直径尽可能
约一纳米的单壁CNT（或SWCNT）应该被视为量子结构;最小的结构变化（例如直径或原子晶格排列的差异）可能会导致电子特性发生巨大变化：一个SWCNT可能是金属的，而另一个结构稍有不同的是半导体。因此，对于使SWCNT尽可能在结构上均匀的可靠方法引起了极大的兴趣。实际上，大约15年前就提出了相应的合成概念。但是，直到现在，Empa的表面物理学家和Max Planck Institute的化学家才在实验室中成功实施了其中一种想法。在最新一期的《自然》中，他们描述了如何首次“增长”结构上均一的SWCNT，从而设法清楚地定义了它们的电子特性。

一段时间以来，Empa团队一直在Roman Fasel的指导下工作，Roman Fasel是Empa的“受电子邮件保护”实验室的负责人，也是伯尔尼大学化学与生物化学教授。转变或结合在一起以在表面上形成复杂的纳米结构。例如，Empa研究人员通过“自下而上”的合成方法设法产生了特定的纳米结构，例如定义的“布基球”链（基本上是CNT缩成球状）或在金基底上的扁平纳米带。Fasel说：“最大的挑战是找到合适的起始分子，它们实际上也可以在平坦的表面上“发芽”以形成正确的种子，法瑟尔说。最后，斯图加特马克斯·普朗克研究所的同事们成功地合成了合适的起始分子，即一种不少于150个原子的烃。

在铂表面上，平面碳氢化合物前体折叠成一个端盖，而后者又充当了定义明确的（6,6）碳纳米管生长的种子。资源：恩帕/胡安·拉蒙·桑切斯·瓦伦西亚

现在分子
折纸实际上是如何工作的？在第一步中，必须以折纸的方式使扁平的起始分子转变为三维物体，即胚芽。这是通过催化反应在热的铂表面（Pt（111））上进行的，在该反应中氢原子被分解，并且在非常特定的位置形成了新的碳-碳键。“细菌”是一个小巧的，呈圆顶状的实体，其开口边缘位于铂表面上，被“折叠”在扁平分子之外。这个“端盖”形成了成长中的SWCNT的“盖子”。在第二化学过程中，连接了其他碳原子，这些碳原子源自铂表面上的乙烯（C2H4）的催化分解。他们将自己定位在铂金表面和端盖之间的开放边缘上，并将盖越来越高。纳米管缓慢向上生长。研究人员能够通过分析SWCNT的振动模式和扫描隧道显微镜（STM）测量来证明只有细菌才能确定后者的原子结构。使用位于Empa的新型扫描氦离子显微镜（SHIM）进行的进一步研究表明，所得SWCNT的长度超过300纳米。

因此，
研究人员已经证明，通过使用量身定制的分子“细菌”，可以清楚地预定义长SWCNT的生长（以及结构）。在这项研究中合成的单壁碳纳米管是镜像对称的实体。但是，取决于从起始分子衍生的蜂窝状原子晶格的方式（相对于CNT轴为“直线”或“倾斜”），也可能会产生螺旋缠绕的纳米管，即扭曲的纳米管向右或向左，这不是镜像对称的。而且这种结构还决定了材料的电子，热电和光学特性。因此，从原理上讲，研究人员可以通过选择起始分子来有针对性地生产具
有不同特性的材料。下一步，Fasel和他的同事打算对SWCNT填充表面的方式有一个更好的了解。尽管已经在铂表面上生长了每平方厘米超过1亿个纳米管，但实际的“完全生长”的纳米管仅从相对较小比例的细菌中生长出来。这就提出了一个问题：哪些过程对此负责，如何提高产量？

该项目得到了瑞士国家科学基金会（FNSNF）的支持。

出版物：Juan Ramon Sanchez-Valencia等人，“单手性碳纳米管的受控合成”，《自然》 512，61-64（2014年8月7日）； doi：10.1038 / nature13607

图片：恩帕/胡安·拉蒙·桑切斯·瓦伦西亚