SWNTs选择性生长机制新突破今日Science：手性单壁碳纳米管的熵驱动稳定性

【前言】

单壁碳纳米管(SWNTs)的电子性质取决于它们的手性——即SWNTs沿其轴线扭转的方式——其特征在于两个指数(n, m)。在纳米管合成过程中控制手性将使我们能够降低分选的成本，开展有前景的应用，进而克服硅的局限性。据报道，碳纳米管计算机的发展非常迅速，已经取得重大突破。然而，选择性合成似乎仍然是薄弱环节，尽管使用固态催化剂的新研究报道了单壁碳纳米管的手性特异性增长。这种选择性增长的具体机制仍在争论中，因此明确包括催化剂作用在内的现实生长模式是非常必要的。现有模型侧重于动力学，忽略了催化剂的作用，但未能根据实验计算手性分布。原子计算机模拟强调化学准确性，但需要用模型来补充，以便提供对这一过程的全面理解。

【成果简介】

单壁碳纳米管是中空圆柱体，通过在与催化剂的界面处掺入碳可以生长到厘米级。依据于在生长过程中产生的螺旋度，它们具有半导体或金属特性。为了支撑选择性合成的探索，来自法国马赛大学的Christophe Bichara教授（通讯作者）团队建立了一个热力学模型，该模型关联了管-催化剂界面能量、温度以及由此产生的管手性。作者表明，纳米管可以因其纳米尺寸边缘的构型熵而手性生长，从而解释了实验观察到的手性分布的温度演化。通过界面能量考虑催化剂的化学性质，作者导出了结构图和相图，这些结构图和相图将指导催化剂和生长参数的合理选择，从而获得更好的选择性。该成果以“Entropy-driven stability of chiral single-walled carbon nanotubes”为题于今日发表在Science上。

【图文导读】

图1. 从试验到模型

图2. 模型的关键要素

图3. 结构图

图4. 手性相图

【总结】

本模型重新评估了热力学在理解SWNT生长机制中的作用。它解释了实验证据，如迄今为止归因于动力学的near-armchair优先选择型，以及手性的温度依赖性趋势。它还为设计更好、更有选择性的催化剂提供了指南。然而，人们也必须考虑动力学在全面理解SWNT生长过程中的重要性。将生长热力学和动力学两方面结合，但是忽略了边缘构型熵的作用，这导致了非现实性的手性分布。这些由热力学分析得到的结果比实验分布略宽，但是如果考虑到生长动力学的手性依赖性，分布应该更窄。由于高的合成温度和非常小的界面尺寸，可能存在SWNT生长模式，其中原子迁移率和靠近界面的原子停留时间足够大以实现局部热力学平衡。

文献链接：Entropy-driven stability of chiral single-walled carbon nanotubes,（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat6228）

本文由材料人编辑部学术组Z,Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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