SWNTs選擇性生長機制新突破今日Science：手性單壁碳納米管的熵驅動穩定性

【前言】

單壁碳納米管(SWNTs)的電子性質取決于它們的手性——即SWNTs沿其軸線扭轉的方式——其特征在于兩個指數(n, m)。在納米管合成過程中控制手性將使我們能夠降低分選的成本，開展有前景的應用，進而克服硅的局限性。據報道，碳納米管計算機的發展非常迅速，已經取得重大突破。然而，選擇性合成似乎仍然是薄弱環節，盡管使用固態催化劑的新研究報道了單壁碳納米管的手性特異性增長。這種選擇性增長的具體機制仍在爭論中，因此明確包括催化劑作用在內的現實生長模式是非常必要的。現有模型側重于動力學，忽略了催化劑的作用，但未能根據實驗計算手性分布。原子計算機模擬強調化學準確性，但需要用模型來補充，以便提供對這一過程的全面理解。

【成果簡介】

單壁碳納米管是中空圓柱體，通過在與催化劑的界面處摻入碳可以生長到厘米級。依據于在生長過程中產生的螺旋度，它們具有半導體或金屬特性。為了支撐選擇性合成的探索，來自法國馬賽大學的Christophe Bichara教授（通訊作者）團隊建立了一個熱力學模型，該模型關聯了管-催化劑界面能量、溫度以及由此產生的管手性。作者表明，納米管可以因其納米尺寸邊緣的構型熵而手性生長，從而解釋了實驗觀察到的手性分布的溫度演化。通過界面能量考慮催化劑的化學性質，作者導出了結構圖和相圖，這些結構圖和相圖將指導催化劑和生長參數的合理選擇，從而獲得更好的選擇性。該成果以“Entropy-driven stability of chiral single-walled carbon nanotubes”為題于今日發表在Science上。

【圖文導讀】

圖1. 從試驗到模型

圖2. 模型的關鍵要素

圖3. 結構圖

圖4. 手性相圖

【總結】

本模型重新評估了熱力學在理解SWNT生長機制中的作用。它解釋了實驗證據，如迄今為止歸因于動力學的near-armchair優先選擇型，以及手性的溫度依賴性趨勢。它還為設計更好、更有選擇性的催化劑提供了指南。然而，人們也必須考慮動力學在全面理解SWNT生長過程中的重要性。將生長熱力學和動力學兩方面結合，但是忽略了邊緣構型熵的作用，這導致了非現實性的手性分布。這些由熱力學分析得到的結果比實驗分布略寬，但是如果考慮到生長動力學的手性依賴性，分布應該更窄。由于高的合成溫度和非常小的界面尺寸，可能存在SWNT生長模式，其中原子遷移率和靠近界面的原子停留時間足夠大以實現局部熱力學平衡。

文獻鏈接：Entropy-driven stability of chiral single-walled carbon nanotubes,（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat6228）

本文由材料人編輯部學術組Z,Chen供稿，材料牛整理編輯。

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