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

據萊斯大學的科學家報道，生產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單。Rice材料理論家Boris Yakobson和他的團隊提出了一個理論，認為納米管在爐子中生長時，具有特定原子排列和對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，他們發現這種催化劑以不同的手性角度啟動納米管的生長，但幾乎所有的催化劑都轉向了一種叫做(12,6)的快速增長的變體。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方式。

因為手性決定了納米管的電學性能，所以生長具有特異手性批次的碳納米管是納米技術的一個里程碑式的挑戰。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，納米管通常以隨機手性的角度生長。

Yakobson說，詳細刊登在美國化學學會雜志Nano Letters上的Rice理論研究，可能是朝著生產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年的研討會上解決了其他實驗人員提出的一個難題，他們使用鈷和鎢的合金來催化單壁納米管。在實驗室的批次中，超過90%的納米管具有(12,6)的手性。

數字(12,6)是指納米管的手性矢量參數。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電性，但當它被軋制成管道時，它的導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，如(9,9)，并且具有使用所需要的完美的導電性。它們不像鋸齒形納米管一樣可以是半導體，例如(16,0)。 將石墨烯片轉動僅僅30°就可以使納米管形式從扶手椅形變為鋸齒形，反之亦然。

Penev說，實驗家從一開始就以一種令人費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稱性，因此這些納米管可以優先成核并生長。這就是所謂的碳納米管選擇性生長的對稱匹配概念的出現。

這幅圖展示了一個不斷生長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從鋸齒狀（藍色）轉變成扶手椅（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。這種轉變是碳納米管生長中首次被發現的特征。圖片來源：Evgeni Penev /萊斯大學

Yakobson說：“雖然我們閱讀并理解了這一點，但我們仍然無法只是圍繞它來進行思考。”
在2013年會議后不久，Yakobson實驗室發表了自己的納米管生長理論，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管上的速度，這兩個對立的作用力之間的平衡，是因為手性的原因。

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

Yakobson說：“我們發現了兩件事，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，這些缺陷驅動著納米管手性或螺旋性的變化。這使得(12,6)成為一種瞬時吸引子，至少在短期實驗中是這樣。如果它們能夠永遠生長下去，(12,6)納米管最終會變成扶手椅形。”

如果不是因為一個很難被檢查出的古老的印刷錯誤，這種不尋常的增長模式可能早就被發現了。

與Penev合著這篇論文的作者Bets說道：“麻煩的是，在一個標準的在線數據庫中，給出了鈷鎢合金的晶體結構。”“其中一個條目是錯誤的，這就使得整體的結構如此混亂，以至于我們無法在密度泛函理論計算中使用它。”

發現了這個錯誤后，Bets和其共同作者Gupta追溯到1938年的一篇德國論文，那篇論文第一次準確地描述了Co7W6的結構。即使掌握了這一點，該團隊在進行計算時也是利用了他們可以找到的任何計算能力來模擬催化劑中每個原子與碳原料之間的能量連接。

Bets說：“我們發現，如果我們用級數計算而不是并行計算，那么它們的計算時間就相當于至少2000年的計算機的計算時間。”

Penev說：“這篇論文在許多方面都非常出色：論文發表的時間，詳細程度和另我們驚喜的一些發現。我們還從來沒有過這樣的項目。我們正在努力研究清楚這將如何適用于其他材料。Bets說：“最近有四到五篇實驗論文也顯示了納米管生長過程中手性的變化。事實上，因為這種手性變化是一個概率過程，并且本質上來說是不可避免的。但是到目前為止，在對納米管生長的理論研究中還從未考慮過這一點。”