简单一步 碳纳米管华丽转身“薄膜”

材料牛注：近日，由美国莱斯大学主导的一个研究团队成功制备出多手性单壁碳纳米管的大尺寸薄膜晶体，有望在光电器件领域获得广泛应用。

碳纳米管作为一种材料领域研究的热门材料，形象点说其实就是石墨烯卷成的圆柱体，原子按六边形排列。而如何调控这个六边形决定着碳纳米管的手性，从而决定了材料的电性能。过去的一二十年中，研究碳纳米管的科学家一直致力于制备出单手性碳纳米管的大尺寸薄膜晶体，这也被公认为是这一领域的王冠，就连诺贝尔奖得主Rick Smalley教授也一直在苦心钻研碳纳米管的单晶体。对于这一世界性难题，最近似乎已经看到了曙光。

近日，由莱斯大学Junichiro Kono教授主导的一个研究团队在关于制备出多手性碳纳米管厘米级薄膜晶体上取得进展。

其实早在2013年，实验室的研究生Xiaowei He 和Weilu Gao就在一次实验中偶然获得了这一发现。当时他们准备在真空中对含有碳纳米管和表面活性剂（作用是防止碳纳米管在溶液中聚集）的悬浮液用滤纸进行滤筛，结果一不小心悬浮液中的水加多了，当时并没有太在意。随后，他们将过滤出的碳纳米管薄膜在扫描电镜下进行观察，得出了一个惊人发现。他们发现，数以百万的碳纳米管聚集成并行密排的整齐阵列，并没有像乱树枝那样随机排列。直觉告诉他们，他们或许有了一项重大发现。

接着，他们用一年的时候制备出100多个不同实验条件下的纳米管薄膜，发现实验过程中的每一个因素（过滤纸的类型、真空度的大小、纳米管及表面活性剂的浓度等）都至关重要。通过优化实验条件，现在他们已经可以制备出厚度为几纳米到几百纳米不等、厘米级尺寸的纳米管晶片薄膜。如果不是实验设备的尺寸限制，他们的薄膜尺寸还可以做得更大。制备出的这种纳米管薄膜可以分离出来进行清洗烘干，在光电领域具有重大的潜在应用价值。

那么问题来了，数量巨大的纳米管为什么会整齐地排成一列呢? Kono教授的团队通过研究纳米管的形核力学初步认为，纳米管最开始是随机排列的，但是它们仍然可以在滤纸上滑动。范德华力使它们聚集，它们自然会寻找整齐排列这种最低能量的状态。由于纳米管的长度不同，可能这种“肩并肩”的结构使得其他的纳米管再加入到阵列的时候也会选择并行排列。

这项研究工作由美国莱斯大学、中国浙江大学、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究团队共同合作完成，工作受到了美国能源部和罗伯特-韦尔奇基金的经费支持。

本文参考地址：NANOTUBES GET ORGANIZED TO FORM FILMS

该研究成果发表于Nature Nanotechnology上。

感谢材料人编辑部赵丹提供素材