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碳纳米管阵列双螺旋研究获进展
来源:科学网

图1 (A)双壁/多壁碳纳米管阵列的双螺旋结构的合成策略；(B)单壁碳纳米管阵列的双螺旋结构的合成策略
将碳纳米管缠绕形成螺旋结构，可以使其在电学、力学、磁学等领域表现出奇特的性能。例如通过调节螺旋碳纳米管的扭曲度，可使其体现为半导体性或金属性；在螺旋碳纳米管上加载电流可以产生感应磁场，从而提供了开发纳米器件的新组件。目前，科学家们通过在反应过程中引入电磁场或特定的化学物质合成螺旋状的碳纳米管。但是迄今为止，得到的螺旋管多为单螺旋。如果能将碳纳米管组装成类似DNA的双螺旋结构，这样能够提供新的平台纳米结构进行碳纳米管的性能及应用探索。
清华大学化学工程系魏飞研究小组和沈阳金属所的先进炭材料部合作，利用层状金属氢氧化物作为催化剂，通过一种原位生长的化学气相沉积技术，直接合成了双壁/多壁碳纳米管阵列的双螺旋组装结构(图1A)。层状金属氢氧化物经过煅烧、还原后，可在其产物——层状金属氧化物片的两侧形成高密度的金属纳米颗粒，为碳纳米管提供生长位点。碳纳米管阵列沿垂直于层状金属氧化物片的方向生长并延伸，在受限空间下为缓解生长过程中的应力，碳纳米管阵列将自缠绕形成稳定的双螺旋结构。这种方法较为容易合成多壁或双壁碳纳米管双螺旋。
为了进一步获得单壁碳纳米管双螺旋阵列，需要在生长基片上获得小粒径、高密度的金属催化剂。清华大学化学工程系魏飞研究小组和德国马普协会FritzHaber研究所合作，采用金属在原子层次上均匀分布的层状金属氢氧化物作为前驱物，通过主客体化学方法控制层间阴离子种类，获得了密度在1014-1016m-2金属催化剂颗粒。由于钉扎作用能有效阻止纳米颗粒的聚并，从而基片上颗粒粒径小，高温热稳定性好。这提供了制备单壁碳纳米管双螺旋的优异催化剂。
性能测试表明，碳纳米管阵列双螺旋可以负荷高达1.8×106nA的电流值，并通过液相收缩进一步降低其电阻；该双螺旋结构还具有良好的结构延展性，通过拉伸可以得到碳纳米管纤维。相关结果发表在德国《应用化学》和《美国化学会志》上。目前此研究组正在着手碳纳米管双螺旋的手性、定向排列以及编织，拓展这种三维纳米结构在电磁纳米器件、多相催化、复合材料、能源存储等领域的应用。

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