基础科学研究所 碳纳米管可以看作是卷成圆柱体的单原子层厚石墨烯片
不同的轧制方向决定了碳纳米管的性能
显示碳纳米管在化学气相沉积合成过程中的寿命的示意图
过渡金属(蓝色结构)充当催化剂，对延长碳纳米管(左)至关重要，直到催化剂表面的碳浓度变得如此丰富，以至于纳米颗粒被石墨或无定形碳包裹，在圆柱体的末端形成“帽”，并终止碳纳米管的生长(右)
在生长过程中不同时间拍摄的碳纳米管环境透射电子显微镜图像
碳纳米管的顶端含有钴纳米粒子，这是尖端生长的典型特征
信用:IBS 在最近发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，多维碳材料中心的丁峰和他的同事们已经实现了选择性为90%的特定类型的碳纳米管的创造，并扩展了目前解释这些有前途的纳米圆柱合成的理论
碳纳米管是由碳制成的非常坚固和轻质的纳米材料，具有优异的载流能力和非常高的热导率，使其成为电子应用的理想材料
尽管碳纳米管被认为是未来最有趣的材料，但科学家们仍在为其可控合成而努力
碳纳米管的形状可以比作纸管——就像一个圆柱体可以通过卷起一张纸来形成一样，所以碳纳米管可以想象成一层单独卷起的石墨
不同形状的管子可以通过把纸卷在长边、短边或斜对角上来生产
根据滚动方向，石墨层可以产生不同的碳纳米管结构，有些是导电的，有些是半导体的；因此，有选择地制造特定类型的碳纳米管将是未来应用的关键，例如高能效的计算机芯片
然而，碳纳米管不是通过滚动产生的，而是一纳米一纳米地生长，在纳米圆柱的边缘添加碳，一次添加一个原子
然而，到目前为止，对于碳纳米管生长的理解仍然非常有限，并且对于特定类型的碳纳米管的生长的合理实验设计是具有挑战性的
碳纳米管最有前途的制造方法之一是化学气相沉积
在这个过程中，金属纳米粒子与含碳气体在高温炉中结合形成碳纳米管
在管的顶端，金属纳米粒子作为催化剂发挥着关键作用:它们将碳源从气体中分离出来，并帮助这些碳原子附着在碳纳米管壁上，使管变长
一旦催化剂颗粒被石墨或无定形碳包裹，碳纳米管的生长终止
碳原子被插入到生长中的碳纳米管和催化剂纳米粒子之间的界面上，位于边缘的活性位置，并可用于结合新的原子
以前的碳纳米管生长速率模型表明，后者与碳纳米管和催化剂界面上的活性位点密度或碳纳米管的具体结构成正比
在(1)存在和(2)缺乏足够的蚀刻剂的情况下，碳纳米管生长的模型
在(a)中，大多数解离的碳原子被蚀刻剂从催化剂表面带走，并且碳纳米管的生长将取决于活性位点的数量(红色三角形)或碳纳米管的结构
在(b)中，在没有蚀刻剂的情况下，每个分解的碳原子必须是碳纳米管的一部分，因此，活性位点的数量或碳纳米管的结构对生长速率没有影响，但会影响碳纳米管生长的持续时间
信用:IBS 在这项研究中，研究人员监测了碳纳米管在氧化镁载体上的稳定生长，一氧化碳作为碳原料，钴纳米粒子作为催化剂，温度为700℃
对16个碳纳米管的直接实验测量显示了如何扩展先前的理论
“令人惊讶的是，碳纳米管的生长速度仅仅取决于催化剂颗粒的大小
这意味着我们以前对碳纳米管生长的理解是不完整的，”这篇论文的第一作者何茂帅说
更具体地，沉积在催化剂颗粒表面上的碳原子可以结合在碳纳米管的活性侧，或者通过蚀刻剂如H2、H2O、O2或CO2去除
为了解释新的实验观察，研究小组包括碳纳米管生长过程中碳的插入和移除的影响，并发现生长速率取决于催化剂的表面积和管直径比
“与之前的模型相比，我们增加了三个因素:前体沉积速率、蚀刻剂去除碳的速率以及碳插入碳纳米管壁的速率
当碳蚀刻不能平衡原料解离时，碳纳米管的生长速率将不再取决于碳纳米管的结构
另一方面，如果蚀刻占主导地位，以前的理论仍然有效，”丁，多维碳材料中心的一个小组组长解释说
有趣的是，碳纳米管生长的新理论导致了选择性生长特定类型碳纳米管的新机制，被表示为(2n，n)碳纳米管，其特征在于碳纳米管和催化剂之间的界面处的最大数量的活性位点
这种碳纳米管结构相当于以大约19度的角度斜轧一片石墨
该研究的合著者、中国北京大学教授张进表示:“如果没有碳蚀刻，碳纳米管生长缓慢，催化剂表面的碳原子就会积累。”
这可能导致石墨或无定形碳的形成，这是碳纳米管生长终止的既定机制
在这种情况下，只有能够在其壁上添加碳原子的碳纳米管——也就是说，具有最多活性位点的碳纳米管——才能存活
" 在新的理论理解的指导下，研究人员能够设计出选择性高达90%的(2n，n)碳纳米管的实验:这种类型的碳纳米管的最高选择性生长是在没有任何蚀刻剂和高原料浓度的情况下实现的
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