一位小朋友摸到靜電球的球殼,頭發立刻像刺猬般根根直豎,這是科技館里很常見的場景。如果一個碳納米管束被人為附加上足夠的電荷,又會是怎樣一幅景象呢?
當碳納米管束帶的電荷達到一定程度時,在電子顯微鏡下,它會形成一種獨特、新奇的像樹一樣的放射狀格局。不僅如此,這些呈樹枝狀分離的碳納米管還具有較小的直徑(3納米),有的甚至是單根的碳納米管。這是國家納米科學中心研究員孫連峰與中國科學院物理所解思深院士等人合作研究的最新成果。這項工作得到了國家自然科學基金和中國科學院“百人計劃”等的資助。相關成果發表在最新一期的《納米快報》上。
遭遇瓶頸的化學分離方法
單壁碳納米管是一種具有戰略意義的新興材料,它在復合材料、平板顯示器、真空電子器材、生物探測器、抗電磁干擾材料等方面有廣泛的應用。
目前,科研人員已經能夠根據需要大量制備單壁碳納米管。“但是,由于單壁碳納米管結構獨特,性質奇異,管與管之間存在比較大的相互吸引力,科學家所制備的碳納米管往往相互糾纏,形成碳納米管束。”孫連峰說,“如果不能有效地分離出單根碳納米管,就意味著無法對單根碳納米管器件的制備及其物理特性展開相關研究。因此,如何將碳納米管分離是需要研究解決的重要問題。”
電泳分離法和層離法是現在最常用的碳納米管束分離方法。孫連峰指出,這些現在常用的分離方法大多是化學方法。這些方法往往涉及到多種化學試劑(如表面活性劑)的使用,并且需要經過多步物理、化學過程才能完成。這些化學方法雖然可以有效地分離出單根碳納米管,但由于存在摻雜效應,可能改變了碳納米管本身的固有性質,而且得到的單壁管長度也大都不理想。
比如說,電泳分離法就首先要使用表面活性劑對碳納米管束進行處理,然后使用超聲波沖擊,最后在電泳池里分離。“這就產生了許多問題,碳納米管有可能吸附表面活性劑分子從而改變自身的物理特性,從而使原來呈現的金屬性或者是半導體性發生改變;另外,超生波的沖擊還可能會破壞碳納米管的結構,即便最后能夠獲得結構完整的管,一般來說長度也只有200納米左右。”孫連峰說,“這給后續研究造成了諸多不便。因此,探索全新的、避免化學修飾的分離方法,是單壁碳納米管以及器件研究的一個重要問題。”
意外發現的物理分離方法
“發現靜電對碳納米管束的分離作用純屬偶然。”孫連峰笑道,“一開始我們并沒有計劃要用電流來分離碳納米管束,只是進行另一個實驗的時候,意外發現了當碳納米管束帶有大量電荷的時候會產生‘爆炸’現象。”
這種碳納米管束意外分離的現象當然引起了他們的關注,為了尋找“爆炸”的原因,他們進行了大量實驗。
孫連峰解釋說:“這種分離方法實際上利用的是最基本的同種電荷相互排斥的原理,讓一束單壁碳納米管帶上同種電荷,當電荷之間的排斥力大于管之間的相互吸引力時,‘爆炸’就發生了。”
孫連峰把這種全新的碳納米管物理分離方法命名為庫侖爆炸法。相互分離的碳納米管形成的那種獨特、新奇的放射狀格局,非常類似于科技館里小朋友觸摸靜電球后怒發沖冠的樣子,于是它被稱為“納米樹”(nanotree)。納米樹的樹枝大小和長度不一,有的樹枝可能就是單根的單壁碳納米管,長度則可以達到5微米以上。
為了確認庫侖爆炸法并沒有破壞分離后的碳納米管的結構,孫連峰研究組進行了大量的驗證工作。
通過原子力顯微鏡(AFM)、拉曼光譜(Raman)等實驗證明,庫侖爆炸法并不會破壞碳納米管本身的結構。
另外,孫連峰研究組還利用碳納米管均勻帶電模型,對發生庫侖爆炸所需的理論電壓進行了計算,結果與實驗數值十分接近。
不過,孫連峰對庫侖爆炸法還是表示了謹慎的樂觀。他指出,由于用于分離的碳納米管束形狀和結構不一,庫侖爆炸法的可控性還不是很理想。
接下來,孫連峰準備在庫侖爆炸法分離出來的納米樹上,測試單壁碳納米管的物理特性,以及分離后單壁碳納米管加上電極后會有什么有趣的事情發生。
“雖然每個納米樹的形狀可能都不一樣,但如果只是選取一個三端或者是四端結構的話,實際上我們已經制備出了多端器件的雛形,希望我們接下來的工作能夠將多端器件研究向前推進一大步。”孫連峰說。
中國共產黨優秀黨員,中國工程院院士,中國現代精神病學的開拓者,享譽中外的精神病學家、醫學教育家,北京大學精神衛生研究所首任所長,WHO北京精神衛生研究與培訓合作中心名譽主任,衛生部精神衛生學重點實驗室......
記者從中國科學院廣州地球化學研究所獲悉,近日,該研究所科研團隊利用原位液相透射電子顯微鏡技術,首次從納米尺度呈現了自然界中黃金納米顆粒在黃鐵礦表面形成的動態過程,并提出了一種黃鐵礦誘導金沉淀的新機制。......
2025年12月5日上午,中國工程院在北京舉行2025年當選院士學習教育暨頒證儀式。中國工程院黨組書記、院長李曉紅向2025年新當選的71名中國工程院院士頒發證書并講話,中國工程院主席團名譽主席宋健、......
一、大會名稱第十六屆中國國際納米技術產業博覽會(納博會?)The16thCHInanoConference&Expo----CHInano2026 二、展會時間展商報到:2026年1......
記者從北京大學獲悉,我國著名大氣科學和遙感學家、教育家、中國科學院院士、北京大學物理學院大氣與海洋科學系教授、第八屆中國人民政治協商會議全國委員會委員、九三學社社員趙柏林先生,于2025年11月30日......
2025年已成為人工智能(AI)全面融入人類日常生活的一年。無論是工作、娛樂、學習還是科研,AI的影響力已無處不在。美國《福布斯》雜志近日報道預測,2026年,AI所帶來的長遠影響將日益清晰,并持續為......
近年來,中國科學院院士種康有一個心愿,那就是幫助尋找適合農業發展的資金渠道。日前,在國際草原與草業大會上,種康接受了《中國科學報》采訪,他從草原發展過程中生態、生產、生活的相互融合出發,講述了科學技術......
圖納米多特異性抗體設計策略。(a)基于融合蛋白復合型“納米適配子”構筑納米多特異性抗體;(b)納米多特異性抗體的抗腫瘤機制在國家自然科學基金項目(批準號:52130301、32430059、32071......
當前,開發可再生的生物基材料是替代傳統塑料、推動可持續發展的關鍵路徑之一。作為頗具潛力的生物基平臺化合物之一,2,5-呋喃二甲酸基聚酯卻受困于強度-韌性-阻隔性的“性能三角”權衡難題。中國科學院寧波材......
巴西奧斯瓦爾多克魯茲基金會研究人員發現了納米粒子有效抑制癌細胞發展的相關機理,即納米粒子能有效抑制癌細胞增殖,也能阻止腫瘤向其他器官轉移。相關論文發表在最新一期《癌癥納米技術》上。研究人員將患有乳腺癌......