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 萊斯大學(xué)的科學(xué)家們破譯了碳納米管不尋常的生長(zhǎng)特性。碳納米管一開始是一種手性，但后來轉(zhuǎn)變成另一種，從而產(chǎn)生了近乎均勻的單壁納米管。碳鎢合金催化劑通過化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)納米管。圖片來源：Evgeni Penev /萊斯大學(xué)

據(jù)萊斯大學(xué)的科學(xué)家報(bào)道，生產(chǎn)一批完全相同的碳納米管可能并不像研究人員所希望的那么簡(jiǎn)單。Rice材料理論家Boris Yakobson和他的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)理論，認(rèn)為納米管在爐子中生長(zhǎng)時(shí)，具有特定原子排列和對(duì)稱性的催化劑可以使碳納米管具有相類似手性的碳原子晶格角。相反，他們發(fā)現(xiàn)這種催化劑以不同的手性角度啟動(dòng)納米管的生長(zhǎng)，但幾乎所有的催化劑都轉(zhuǎn)向了一種叫做(12,6)的快速增長(zhǎng)的變體。其原因似乎是由扶手椅和鋸齒形部分組成的Janus型界面，最終改變了納米管的生長(zhǎng)方式。

因?yàn)槭中詻Q定了納米管的電學(xué)性能，所以生長(zhǎng)具有特異手性批次的碳納米管是納米技術(shù)的一個(gè)里程碑式的挑戰(zhàn)。與銅或鋁不同，這種特異的碳納米管可以使電線無損失地傳輸能量。然而，納米管通常以隨機(jī)手性的角度生長(zhǎng)。

Yakobson說，詳細(xì)刊登在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志Nano Letters上的Rice理論研究，可能是朝著生產(chǎn)均勻批次納米管的催化劑邁出的一步。

Yakobson及其同事Evgeni Penev和Ksenia Bets以及研究生Nitant Gupta在2013年的研討會(huì)上解決了其他實(shí)驗(yàn)人員提出的一個(gè)難題，他們使用鈷和鎢的合金來催化單壁納米管。在實(shí)驗(yàn)室的批次中，超過90%的納米管具有(12,6)的手性。

數(shù)字(12,6)是指納米管的手性矢量參數(shù)。碳納米管是一層卷起來的二維石墨烯片材。石墨烯具有很高的導(dǎo)電性，但當(dāng)它被軋制成管道時(shí)，它的導(dǎo)電性取決于其六角形晶格的角度或手性。

由于其邊緣的扶手椅狀形狀而得名的扶手椅形納米管具有相同的手性指數(shù)，如(9,9)，并且具有使用所需要的完美的導(dǎo)電性。它們不像鋸齒形納米管一樣可以是半導(dǎo)體，例如(16,0)。 將石墨烯片轉(zhuǎn)動(dòng)僅僅30°就可以使納米管形式從扶手椅形變?yōu)殇忼X形，反之亦然。

Penev說，實(shí)驗(yàn)家從一開始就以一種令人費(fèi)解的方式解釋了他們的工作。他們說這種催化劑具有與(12,6)邊緣相匹配的特定對(duì)稱性，因此這些納米管可以優(yōu)先成核并生長(zhǎng)。這就是所謂的碳納米管選擇性生長(zhǎng)的對(duì)稱匹配概念的出現(xiàn)。

這幅圖展示了一個(gè)不斷生長(zhǎng)的碳納米管和鈷鎢催化劑之間的界面。催化劑的原子排列迫使納米管迅速?gòu)匿忼X狀（藍(lán)色）轉(zhuǎn)變成扶手椅（紅色），最終形成了一種既不是鋸齒形也不是扶手椅形，而是一種幾乎介于兩者之間的納米管。這種轉(zhuǎn)變是碳納米管生長(zhǎng)中首次被發(fā)現(xiàn)的特征。圖片來源：Evgeni Penev /萊斯大學(xué)

Yakobson說：“雖然我們閱讀并理解了這一點(diǎn)，但我們?nèi)匀粺o法只是圍繞它來進(jìn)行思考。”
在2013年會(huì)議后不久，Yakobson實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了自己的納米管生長(zhǎng)理論，該理論表明，催化劑-納米管接觸的能量和原子在界面處附著在生長(zhǎng)管上的速度，這兩個(gè)對(duì)立的作用力之間的平衡，是因?yàn)槭中缘脑颉?/span>

五年之后，盡管有些曲折，這一點(diǎn)在他們的新論文中也得到了證實(shí)。Rice計(jì)算表明，合金Co7W6促進(jìn)了類Janus界面的形成，這種界面確保了邊緣的必要扭結(jié)，并允許碳原子附著在納米管的基體上。但這種催化劑也會(huì)迫使納米管產(chǎn)生結(jié)合缺陷，從而改變其最初的手性。

Yakobson說：“我們發(fā)現(xiàn)了兩件事，第一件事是納米管底部的碳原子分成扶手椅形和鋸齒形部分。第二件事是形成缺陷的傾向，這些缺陷驅(qū)動(dòng)著納米管手性或螺旋性的變化。這使得(12,6)成為一種瞬時(shí)吸引子，至少在短期實(shí)驗(yàn)中是這樣。如果它們能夠永遠(yuǎn)生長(zhǎng)下去，(12,6)納米管最終會(huì)變成扶手椅形。”

如果不是因?yàn)橐粋€(gè)很難被檢查出的古老的印刷錯(cuò)誤，這種不尋常的增長(zhǎng)模式可能早就被發(fā)現(xiàn)了。

與Penev合著這篇論文的作者Bets說道：“麻煩的是，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的在線數(shù)據(jù)庫中，給出了鈷鎢合金的晶體結(jié)構(gòu)。”“其中一個(gè)條目是錯(cuò)誤的，這就使得整體的結(jié)構(gòu)如此混亂，以至于我們無法在密度泛函理論計(jì)算中使用它。”

發(fā)現(xiàn)了這個(gè)錯(cuò)誤后，Bets和其共同作者Gupta追溯到1938年的一篇德國(guó)論文，那篇論文第一次準(zhǔn)確地描述了Co7W6的結(jié)構(gòu)。即使掌握了這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行計(jì)算時(shí)也是利用了他們可以找到的任何計(jì)算能力來模擬催化劑中每個(gè)原子與碳原料之間的能量連接。

Bets說：“我們發(fā)現(xiàn)，如果我們用級(jí)數(shù)計(jì)算而不是并行計(jì)算，那么它們的計(jì)算時(shí)間就相當(dāng)于至少2000年的計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間。”

Penev說：“這篇論文在許多方面都非常出色：論文發(fā)表的時(shí)間，詳細(xì)程度和另我們驚喜的一些發(fā)現(xiàn)。我們還從來沒有過這樣的項(xiàng)目。我們正在努力研究清楚這將如何適用于其他材料。Bets說：“最近有四到五篇實(shí)驗(yàn)論文也顯示了納米管生長(zhǎng)過程中手性的變化。事實(shí)上，因?yàn)檫@種手性變化是一個(gè)概率過程，并且本質(zhì)上來說是不可避免的。但是到目前為止，在對(duì)納米管生長(zhǎng)的理論研究中還從未考慮過這一點(diǎn)。”