一位小朋友摸到靜電球的球殼，頭發(fā)立刻像刺猬般根根直豎，這是科技館里很常見(jiàn)的場(chǎng)景。如果一個(gè)碳納米管束被人為附加上足夠的電荷，又會(huì)是怎樣一幅景象呢？
當(dāng)碳納米管束帶的電荷達(dá)到一定程度時(shí)，在電子顯微鏡下，它會(huì)形成一種獨(dú)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(guó)家納米科學(xué)中心研究員孫連峰與中國(guó)科學(xué)院物理所解思深院士等人合作研究的最新成果。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”等的資助。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期的《納米快報(bào)》上。
遭遇瓶頸的化學(xué)分離方法
單壁碳納米管是一種具有戰(zhàn)略意義的新興材料，它在復(fù)合材料、平板顯示器、真空電子器材、生物探測(cè)器、抗電磁干擾材料等方面有廣泛的應(yīng)用。
目前，科研人員已經(jīng)能夠根據(jù)需要大量制備單壁碳納米管。“但是，由于單壁碳納米管結(jié)構(gòu)獨(dú)特，性質(zhì)奇異，管與管之間存在比較大的相互吸引力，科學(xué)家所制備的碳納米管往往相互糾纏，形成碳納米管束�！睂O連峰說(shuō)，“如果不能有效地分離出單根碳納米管，就意味著無(wú)法對(duì)單根碳納米管器件的制備及其物理特性展開(kāi)相關(guān)研究。因此，如何將碳納米管分離是需要研究解決的重要問(wèn)題�！�
電泳分離法和層離法是現(xiàn)在最常用的碳納米管束分離方法。孫連峰指出，這些現(xiàn)在常用的分離方法大多是化學(xué)方法。這些方法往往涉及到多種化學(xué)試劑(如表面活性劑)的使用，并且需要經(jīng)過(guò)多步物理、化學(xué)過(guò)程才能完成。這些化學(xué)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(yīng)，可能改變了碳納米管本身的固有性質(zhì)，而且得到的單壁管長(zhǎng)度也大都不理想。
比如說(shuō)，電泳分離法就首先要使用表面活性劑對(duì)碳納米管束進(jìn)行處理，然后使用超聲波沖擊，最后在電泳池里分離�！斑@就產(chǎn)生了許多問(wèn)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(lái)呈現(xiàn)的金屬性或者是半導(dǎo)體性發(fā)生改變；另外，超生波的沖擊還可能會(huì)破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，即便最后能夠獲得結(jié)構(gòu)完整的管，一般來(lái)說(shuō)長(zhǎng)度也只有200納米左右�！睂O連峰說(shuō)，“這給后續(xù)研究造成了諸多不便。因此，探索全新的、避免化學(xué)修飾的分離方法，是單壁碳納米管以及器件研究的一個(gè)重要問(wèn)題�！�
意外發(fā)現(xiàn)的物理分離方法
“發(fā)現(xiàn)靜電對(duì)碳納米管束的分離作用純屬偶然�！睂O連峰笑道，“一開(kāi)始我們并沒(méi)有計(jì)劃要用電流來(lái)分離碳納米管束，只是進(jìn)行另一個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，意外發(fā)現(xiàn)了當(dāng)碳納米管束帶有大量電荷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生‘爆炸’現(xiàn)象�！�
這種碳納米管束意外分離的現(xiàn)象當(dāng)然引起了他們的關(guān)注，為了尋找“爆炸”的原因，他們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。
孫連峰解釋說(shuō)：“這種分離方法實(shí)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(dāng)電荷之間的排斥力大于管之間的相互吸引力時(shí)，‘爆炸’就發(fā)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(kù)侖爆炸法。相互分離的碳納米管形成的那種獨(dú)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(fā)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(zhǎng)度不一，有的樹枝可能就是單根的單壁碳納米管，長(zhǎng)度則可以達(dá)到5微米以上。
為了確認(rèn)庫(kù)侖爆炸法并沒(méi)有破壞分離后的碳納米管的結(jié)構(gòu)，孫連峰研究組進(jìn)行了大量的驗(yàn)證工作。
通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜(Raman)等實(shí)驗(yàn)證明，庫(kù)侖爆炸法并不會(huì)破壞碳納米管本身的結(jié)構(gòu)。
另外，孫連峰研究組還利用碳納米管均勻帶電模型，對(duì)發(fā)生庫(kù)侖爆炸所需的理論電壓進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值十分接近。
不過(guò)，孫連峰對(duì)庫(kù)侖爆炸法還是表示了謹(jǐn)慎的樂(lè)觀。他指出，由于用于分離的碳納米管束形狀和結(jié)構(gòu)不一，庫(kù)侖爆炸法的可控性還不是很理想。
接下來(lái)，孫連峰準(zhǔn)備在庫(kù)侖爆炸法分離出來(lái)的納米樹上，測(cè)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(huì)有什么有趣的事情發(fā)生。
“雖然每個(gè)納米樹的形狀可能都不一樣，但如果只是選取一個(gè)三端或者是四端結(jié)構(gòu)的話，實(shí)際上我們已經(jīng)制備出了多端器件的雛形，希望我們接下來(lái)的工作能夠?qū)⒍喽似骷芯肯蚯巴七M(jìn)一大步�！睂O連峰說(shuō)。
當(dāng)碳納米管束帶的電荷達(dá)到一定程度時(shí)，在電子顯微鏡下，它會(huì)形成一種獨(dú)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(guó)家納米科學(xué)中心研究員孫連峰與中國(guó)科學(xué)院物理所解思深院士等人合作研究的最新成果。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”等的資助。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期的《納米快報(bào)》上。
遭遇瓶頸的化學(xué)分離方法
單壁碳納米管是一種具有戰(zhàn)略意義的新興材料，它在復(fù)合材料、平板顯示器、真空電子器材、生物探測(cè)器、抗電磁干擾材料等方面有廣泛的應(yīng)用。
目前，科研人員已經(jīng)能夠根據(jù)需要大量制備單壁碳納米管。“但是，由于單壁碳納米管結(jié)構(gòu)獨(dú)特，性質(zhì)奇異，管與管之間存在比較大的相互吸引力，科學(xué)家所制備的碳納米管往往相互糾纏，形成碳納米管束�！睂O連峰說(shuō)，“如果不能有效地分離出單根碳納米管，就意味著無(wú)法對(duì)單根碳納米管器件的制備及其物理特性展開(kāi)相關(guān)研究。因此，如何將碳納米管分離是需要研究解決的重要問(wèn)題�！�
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比如說(shuō)，電泳分離法就首先要使用表面活性劑對(duì)碳納米管束進(jìn)行處理，然后使用超聲波沖擊，最后在電泳池里分離�！斑@就產(chǎn)生了許多問(wèn)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(lái)呈現(xiàn)的金屬性或者是半導(dǎo)體性發(fā)生改變；另外，超生波的沖擊還可能會(huì)破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，即便最后能夠獲得結(jié)構(gòu)完整的管，一般來(lái)說(shuō)長(zhǎng)度也只有200納米左右�！睂O連峰說(shuō)，“這給后續(xù)研究造成了諸多不便。因此，探索全新的、避免化學(xué)修飾的分離方法，是單壁碳納米管以及器件研究的一個(gè)重要問(wèn)題�！�
意外發(fā)現(xiàn)的物理分離方法
“發(fā)現(xiàn)靜電對(duì)碳納米管束的分離作用純屬偶然�！睂O連峰笑道，“一開(kāi)始我們并沒(méi)有計(jì)劃要用電流來(lái)分離碳納米管束，只是進(jìn)行另一個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，意外發(fā)現(xiàn)了當(dāng)碳納米管束帶有大量電荷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生‘爆炸’現(xiàn)象�！�
這種碳納米管束意外分離的現(xiàn)象當(dāng)然引起了他們的關(guān)注，為了尋找“爆炸”的原因，他們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。
孫連峰解釋說(shuō)：“這種分離方法實(shí)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(dāng)電荷之間的排斥力大于管之間的相互吸引力時(shí)，‘爆炸’就發(fā)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(kù)侖爆炸法。相互分離的碳納米管形成的那種獨(dú)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(fā)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(zhǎng)度不一，有的樹枝可能就是單根的單壁碳納米管，長(zhǎng)度則可以達(dá)到5微米以上。
為了確認(rèn)庫(kù)侖爆炸法并沒(méi)有破壞分離后的碳納米管的結(jié)構(gòu)，孫連峰研究組進(jìn)行了大量的驗(yàn)證工作。
通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜(Raman)等實(shí)驗(yàn)證明，庫(kù)侖爆炸法并不會(huì)破壞碳納米管本身的結(jié)構(gòu)。
另外，孫連峰研究組還利用碳納米管均勻帶電模型，對(duì)發(fā)生庫(kù)侖爆炸所需的理論電壓進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值十分接近。
不過(guò)，孫連峰對(duì)庫(kù)侖爆炸法還是表示了謹(jǐn)慎的樂(lè)觀。他指出，由于用于分離的碳納米管束形狀和結(jié)構(gòu)不一，庫(kù)侖爆炸法的可控性還不是很理想。
接下來(lái)，孫連峰準(zhǔn)備在庫(kù)侖爆炸法分離出來(lái)的納米樹上，測(cè)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(huì)有什么有趣的事情發(fā)生。
“雖然每個(gè)納米樹的形狀可能都不一樣，但如果只是選取一個(gè)三端或者是四端結(jié)構(gòu)的話，實(shí)際上我們已經(jīng)制備出了多端器件的雛形，希望我們接下來(lái)的工作能夠?qū)⒍喽似骷芯肯蚯巴七M(jìn)一大步�！睂O連峰說(shuō)。
