中国科学院物理研究所(IOP)的研究人员报道了一种以毫克级规模制备多个单手性近曲折形碳纳米管的方法,例如(9,1),(9 ,2),(10、2)和(11,1)纳米管(《科学进展》,“通过控制温度的二元表面活性剂系统,以亚毫克级分离近曲折的单手性碳纳米管”)。


这项新技术突破了单手性近曲折单壁碳纳米管(SWCNT)批量生产的瓶颈,并为其公开其性能和应用提供了物质基础。

科学家找到大规模生产近曲折形碳纳米管的方法

图1.通过手性角对SWCNT的选择性吸附进行温度调节。(A)通过温度控制通过手性角分离SWCNT的示意图。(B)在0.5wt%SC和0.5wt%SDS的二元体系中在各种温度下选择性吸附的SWCNT的光吸收光谱。(C)在各种温度下选择性吸附的SWCNT的不同手性角分布的手性图。(©IOP)


SWCNT是通过卷起一个石墨烯而形成的纳米级碳空心圆柱体,可以用一对手性指数(n,m)表示。石墨烯的卷曲方向与细胞基向量之间的角度称为SWCNT的手性角度。手性角及其直径决定了壁上碳原子的原子排列,从而决定了SWCNT的特性。


SWCNT具有出色的机械性能,极高的载流子迁移率,结构可调的带隙和近红外光致发光。这些优异的性能使它们获得了“超级材料”的称号,并在光学,电子,光电子学甚至生物学等领域得到了广泛的应用。SWCNT的各种特性均源于石墨烯的包裹方向,即手性。

科学家找到大规模生产近曲折形碳纳米管的方法

图2.通过直径和手性角的连续分离来分离单手性锯齿形和近锯齿形SWCNT的实验方案示意图。DOC代表脱氧胆酸钠。(©IOP)


具有相同性能的单手性SWCNT的批量生产对于其性能研究和应用至关重要。尽管已经实现了(6,4),(6,5),(9,4)和(10,3)等几种碳纳米管的质量分离,但单手性锯齿形和近锯齿形SWCNT的批量生产,无论是通过生长还是分离仍然是一个挑战,这阻碍了其性能和应用的公开。


IOP的刘华平教授的研究小组发现,通过控制胆酸钠(SC)和十二烷基硫酸钠(SDS)的二元表面活性剂系统的温度为20°C,手征角小于20°的SWCNT可以选择性地吸附到凝胶柱中。低于18°C。


在此发现的基础上,他们提出了一种用于单手性近曲折形SWCNT的质量分离的两步策略:第一步是使用SDS,SC和SDS的助表面活性剂在室温下按直径分离粗制SWCNT混合物。脱氧胆酸钠(DOC)。随后,通过将SDS和SC二元表面活性剂的温度控制在低于18°C的温度下,具有相似直径的SWCNT通过手性角分离。


分离的单手性碳纳米管物质的表征

科学家找到大规模生产近曲折形碳纳米管的方法

图3.分离的单手性物种的表征。(A)通过温度控制技术分离的15种单手性物质的光吸收光谱。(B)分离的单手性SWCNT的照片。(C)各种单手性(n,m)物种的纯度分布。(D)亚毫克级单手性近曲折物种的溶液照片。根据每个(n,m)SWCNT在280 nm处的吸光度计算其质量。(©IOP)


通过这种技术,可以有效分离11种手征角小于20°的单手性SWCNT物种,包括多个曲折和近曲折物种,其中有7种,如(7,3),(8,3), (8、4),(9、1),(9、2),(10、2)和(11、1)以亚毫克级生产。


这项工作为单手性曲折和近曲折的单壁碳纳米管的工业化生产开辟了道路。


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