妙手偶得的碳納米管物理分離法

  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,這是科技館裏很常見的場景。如果一個碳納米管束被人爲附加上足夠的電荷,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,它在複合材料、平板顯示器、真空電子器材、生物探測器、抗電磁幹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,並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,然後使用超聲波沖擊,最後在電泳池裏分離。「這就産生了許多問題,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,即便最後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,「這給後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,「一開始我們並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産生『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,爲了尋找「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爲庫侖爆炸法。相互分離的碳納米管形成的那種獨特、新奇的放射狀格局,非常類似于科技館裏小朋友觸摸靜電球後怒發沖冠的樣子,于是它被稱爲「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。
  
  爲了確認庫侖爆炸法並沒有破壞分離後的碳納米管的結構,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,庫侖爆炸法並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,孫連峰准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,以及分離後單壁碳納米管加上電極後會有什麽有趣的事情發生。
  
  「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。
  (來源:科學網)