作者:赖斯大学的杰德·博伊德 莱斯大学研究生夏目漱石第一个注意到2D碳纳米管薄膜的排列与薄膜下滤纸上的凹槽相对应
学分:杰夫·菲特洛/莱斯大学 超薄碳纳米管晶体可能有很好的用途，比如以近乎完美的效率将废热转化为电能，莱斯大学的工程师朝着这个目标迈出了一大步
最新的一步延续了始于2013年的一个故事，当时莱斯大学的河野洋平和他的学生发现了一种突破性的方法，可以让碳纳米管在过滤膜上排成薄膜
纳米管又长又中空，而且出了名的容易缠结
想象一根几十英里长的花园软管，然后把软管的直径缩小到几个原子的宽度
任何曾经用打结的软管打过仗的人都可以欣赏科诺的壮举:他和他的学生已经把一群不守规矩的纳米管变成了一个秩序井然的集体
几十亿个纳米管自愿地并排躺着，就像盒子里的干意大利面条
问题？科诺和他的学生不知道为什么会这样
“太神奇了
我的意思是，真的很神秘，”科诺说，他是一名电气工程师、应用物理学家和材料科学家，已经研究碳纳米管超过20年了
“我们不知道微观尺度上到底发生了什么
最重要的是，我们甚至不知道纳米管会向哪个方向排列
" 他和他的团队在2016年发表了他们的发现，该领域权衡了可能的解释
河野的团队和日本的合作者在一篇新论文中描述的答案既出人意料又简单:滤纸上的微小平行凹槽——滤纸生产过程中的一个假象——导致纳米管排列
这项研究发表在美国化学学会杂志《纳米快报》的网上
河野说，他实验室的一名研究生、该研究的主要作者夏目漱石小松是第一个注意到凹槽并将它们与纳米管排列联系起来的人
小松说:“我发现任何商业购买的用于这项技术的滤纸都有这些凹槽。”
“凹槽的密度因批次而异
但是总会有凹槽
" 莱斯大学的研究人员发现，单壁碳纳米管在2D薄膜中并排排列，这是因为在真空过滤过程中，薄膜会在滤纸上形成小凹槽
直径1英寸(左上)的薄膜在纸质过滤器上形成，将纳米管与液体表面活性剂分开
赖斯的研究人员显示，纸上的凹槽(右上)将纳米管(下)引导成高度有序的排列
学分:河野集团/莱斯大学 为了形成二维晶体薄膜，研究人员首先将纳米管混合物悬浮在水-表面活性剂溶液中
皂基表面活性剂包裹着纳米管，起到解缠结的作用
2013年，科诺的学生使用真空过滤通过薄膜滤纸来提取这些混合物
液体穿过纸膜，在顶部留下一层排列整齐的纳米管
在一系列详尽的实验中，小松和他的同事，包括河野集团的博士后研究员绍纳布·戈什(Saunab Ghosh)，发现这些薄膜中纳米管的排列与纸上平行的亚微观凹槽相对应
科诺说，当滤纸被拉到工厂的滚筒上时，可能会形成凹槽
小松检查了几十个滤纸样本，并使用扫描电子显微镜和原子力显微镜来表征凹槽和凹槽图案
她将过滤器切成小块，用面向不同方向的凹槽将这些小块重新组装起来，并展示他们制作的胶片具有匹配的排列
小松和他的同事还利用热和压力去除滤纸上的凹槽，使用的原理与熨烫衣服褶皱的原理相同
他们发现，用无凹槽纸制成的薄膜有几个方向排列的纳米管
最后，从无凹槽纸开始，他们展示了他们可以使用非常精细的周期性凹槽反射光栅来创建他们自己的凹槽图案，并且相应的纳米管薄膜遵循这些图案
科诺说，这种方法令人兴奋，因为它给二维晶体纳米管薄膜的生产带来了所需的可预测性
“如果纳米管是随机定向的，你就失去了所有的一维性质，”科诺说
“一维是关键
它导致了所有不寻常但重要的属性
" 虽然科诺集团的薄膜本质上是二维的——直径只有一英寸，但只有几十亿分之一米厚——但单个纳米管的行为就像1D材料一样，尤其是在光学和电子特性方面
白色箭头(左)突出显示了市售过滤膜的光学显微镜图像中的大“宏观凹槽”
用原子力显微镜放大(中间和右边)可以看到更小的微槽
中心图像显示左侧图像中白盒内的区域，右侧图像显示中心图像中白盒内的区域
学分:河野集团/莱斯大学 碳纳米管非凡的光学和电子性质取决于它们的直径和结构，或手性
一些手性像金属一样，另一些像半导体，研究人员几十年来一直在努力寻找一种方法来制造大的宏观物体，如线或科诺的一个1英寸直径的薄膜，纯纳米管只有一个直径和手性
“这显然是下一步，”戈什说
“在这项研究中，我们仍然使用具有直径分布的金属和半导体碳纳米管的混合物
下一步是应用这种新方法，基于使用光栅进行有意的凹槽制作，以实现对准方向的完全控制
" 科诺说，他的团队已经用多种纳米管混合物的溶液制作出高度排列的二维晶体
“但当我们采用单一手性解决方案时，我们从未对这种排列感到满意，”他说
“现在，有了凹槽的知识，我们有信心可以提高单手性碳纳米管薄膜的排列程度
" 单手性薄膜可以为具有令人难以置信的潜力的应用打开大门——例如，以近乎完美的效率将热转化为光的纯碳薄片
将这种薄板与光伏材料结合起来，可以提供一种非常有效地将热量转化为电能的方法，从而创造出散热器的可能性，既可以冷却电机和电子设备，又可以为它们提供动力
河野的实验室和赖斯的古鲁拉杰·纳伊克的研究小组在2019年一篇关于双曲碳纳米管薄膜的论文中展示了这一概念
科诺说，单手性晶体薄膜还可以用于研究新的物质状态，如激子极化子和玻色-爱因斯坦凝聚体，以及尚未预见的应用
“目前，世界上只有少数几个团体能够制造这些排列整齐、高度致密、密集的碳纳米管薄膜，”他说
“我们刚刚完成的工作，即凹槽辅助工作，提供了更多的控制
这将带来更好的电影、新的应用和新的科学
我们非常兴奋
"
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