研究人员开发出第三种也是最后一种定制纳米管合成技术

当前制造碳纳米管的方法——本质上是卷起的石墨烯片——无法完全控制它们的直径、长度和类型。最近，对于三种不同类型的纳米管中的两种，这个问题已经得到解决，但第三种类型，称为“锯齿形”纳米管，仍然遥不可及。国立自然科学研究院 (NINS) 的研究人员现在已经找到了合成锯齿形变种的方法。

他们的方法在 1 月 25 日出版的《自然化学》杂志上有所描述。

由于碳具有与其他原子结合形成分子的独特能力，当它与自身结合时，它可以以许多结构不同的方式(例如金刚石和石墨)以不同的性质进行结合。近几十年来，已经产生了诸如石墨烯之类的形状——一层由六边形蜂窝状晶格形成的一个原子厚的碳层。可以生产的另一种不同形式或“同素异形体”是石墨烯的中空圆柱体，称为纳米管。

当纳米管中的六边形碳在蜂窝晶格中聚集在一起时，它们形成扶手椅、锯齿形或手性构型。名称“zigzag”用于碳原子之间每个分子键的“路径”首先向左转 60 度，然后向右转 60 度，然后向左转 60 度，然后向右转 60 度的构型：锯齿形图案。“扶手椅”这个名字描述了一条在重复之前向左移动两次，然后向右移动两次的路径。这条小路看起来有点像扶手椅，因此得名。第三种类型，手性，位于这两种形式之间，以及它的镜像。

如果人们能够用一把刀将这些管子沿纵轴水平切割两次，就可以制造出由 12 个碳六边形环组成的纳米管“带”。这种带称为“纳米带”。

生产这些纳米带的努力已成为许多学术研究的主题。这是因为传统的纳米管制造方式存在局限性，这种制造方式被称为“自上而下”的形式。自上而下的制造涉及将大量碳粉碎成粉末，然后纳米管随机形成三种配置类型中的一种或多种。

“这里的问题是你无法控制形成哪种配置类型，或者直径，甚至长度，”NINS 分子科学研究所的 Yasutomo Segawa 和该论文的通讯作者说。“但如果你能从纳米带的‘种子’自下而上构建纳米管，那么你就可以控制所有这三个方面。”

2019 年之前的研究已经能够生产扶手椅和手性纳米带，但不能生产第三种类型——锯齿形。

现在，研究人员第一次能够形成锯齿形纳米带。纳米带合成策略的关键是通过氧原子桥接六边形环(添加氧降冰片二烯单元)。然后他们能够使用 X 射线晶体学来确认这种由理论计算预测的结构确实在现实世界中形成。

通过第三次纳米带合成，原则上现在可以使用所有三种类型的纳米管——扶手椅、手性和锯齿形。这是朝着自下而上合成定制碳纳米管迈出的重要一步。

下一步是通过使用碳纳米管的纳米带作为种子合成碳纳米管，将这一概念证明用于碳纳米管的实际结构选择性自下而上合成。

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