簡單一步 碳納米管華麗轉身“薄膜”

材料牛注：近日，由美國萊斯大學主導的一個研究團隊成功制備出多手性單壁碳納米管的大尺寸薄膜晶體，有望在光電器件領域獲得廣泛應用。

碳納米管作為一種材料領域研究的熱門材料，形象點說其實就是石墨烯卷成的圓柱體，原子按六邊形排列。而如何調控這個六邊形決定著碳納米管的手性，從而決定了材料的電性能。過去的一二十年中，研究碳納米管的科學家一直致力于制備出單手性碳納米管的大尺寸薄膜晶體，這也被公認為是這一領域的王冠，就連諾貝爾獎得主Rick Smalley教授也一直在苦心鉆研碳納米管的單晶體。對于這一世界性難題，最近似乎已經看到了曙光。

近日，由萊斯大學Junichiro Kono教授主導的一個研究團隊在關于制備出多手性碳納米管厘米級薄膜晶體上取得進展。

其實早在2013年，實驗室的研究生Xiaowei He 和Weilu Gao就在一次實驗中偶然獲得了這一發現。當時他們準備在真空中對含有碳納米管和表面活性劑（作用是防止碳納米管在溶液中聚集）的懸浮液用濾紙進行濾篩，結果一不小心懸浮液中的水加多了，當時并沒有太在意。隨后，他們將過濾出的碳納米管薄膜在掃描電鏡下進行觀察，得出了一個驚人發現。他們發現，數以百萬的碳納米管聚集成并行密排的整齊陣列，并沒有像亂樹枝那樣隨機排列。直覺告訴他們，他們或許有了一項重大發現。

接著，他們用一年的時候制備出100多個不同實驗條件下的納米管薄膜，發現實驗過程中的每一個因素（過濾紙的類型、真空度的大小、納米管及表面活性劑的濃度等）都至關重要。通過優化實驗條件，現在他們已經可以制備出厚度為幾納米到幾百納米不等、厘米級尺寸的納米管晶片薄膜。如果不是實驗設備的尺寸限制，他們的薄膜尺寸還可以做得更大。制備出的這種納米管薄膜可以分離出來進行清洗烘干，在光電領域具有重大的潛在應用價值。

那么問題來了，數量巨大的納米管為什么會整齊地排成一列呢? Kono教授的團隊通過研究納米管的形核力學初步認為，納米管最開始是隨機排列的，但是它們仍然可以在濾紙上滑動。范德華力使它們聚集，它們自然會尋找整齊排列這種最低能量的狀態。由于納米管的長度不同，可能這種“肩并肩”的結構使得其他的納米管再加入到陣列的時候也會選擇并行排列。

這項研究工作由美國萊斯大學、中國浙江大學、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究團隊共同合作完成，工作受到了美國能源部和羅伯特-韋爾奇基金的經費支持。

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該研究成果發表于Nature Nanotechnology上。

感謝材料人編輯部趙丹提供素材