物理学家展示了如何严格的饮食可以产生单手性碳纳米管

就像长颈鹿在高大的树上伸长叶子一样，让碳纳米管在生长时伸手去吃食物可能会带来长期寻求的突破。莱斯大学乔治·布朗工程学院的材料理论家BorisYakobson和KseniaBets展示了如何限制生长纳米管可以促进具有单一所需手性的批量生长的“圣杯”。

他们在《科学进展》上的论文描述了一种策略，通过该策略将碳原料限制在熔炉中将有助于控制纳米管的“风筝”生长。在这种方法中，纳米管开始在基底上的金属催化剂处形成，但随着催化剂的生长而提升，类似于绳子上的风筝。

碳纳米管壁基本上是石墨烯，它的六边形原子晶格卷成一个管子。手性是指六边形在晶格内的角度，介于0到30度之间。这决定了纳米管是金属的还是半导体的。例如，以单一手性生长长纳米管的能力可以制造高导电纳米管纤维或晶体管的半导体通道。

通常，纳米管以随机方式生长，具有单壁和多壁以及各种手性。这对某些应用来说很好，但许多应用需要“纯化”批次，这些批次需要离心或其他昂贵的策略来分离纳米管。

研究人员建议，只要催化剂保持活性，通过移动喷嘴送入的热碳原料气体可以有效地导致纳米管生长。由于具有不同手性的管以不同的速度生长，因此可以将它们按长度分开，并且可以完全消除生长较慢的类型。

他们确定，一个涉及蚀刻掉一些纳米管的额外步骤可以让特定的手性被收获。

该实验室定义纳米管生长机制的工作使他们思考作为单个管的手性函数的生长速度是否有用。正在生长的纳米管边缘的“扭结”角度决定了它们在添加新碳原子时的能量程度。

“随着纳米管的生长，催化剂颗粒正在移动，这非常重要，”主要作者、Yakobson小组的研究员Bets说。“如果你的原料不断流失，你会得到一个移动窗口，你正在喂一些管子而不是其他的。”

贝茨说，这篇论文对拉马克长颈鹿(一种19世纪关于它们如何进化出如此长的脖子的理论)的提及并非完全超出了左领域。

“它作为一个比喻起作用，因为你把你的'叶子'移开，可以到达它的管子继续快速增长，而那些不能就这样消失的管子，”她说。“最终，所有稍微慢一点的纳米管都会‘死掉’。”

速度只是战略的一部分。事实上，他们建议将速度稍慢的纳米管作为确保获得单一手性的目标。

因为不同手性的纳米管以它们自己的速率生长，所以一批可能会表现出层级。化学蚀刻最长的纳米管会使它们降解，从而保留下一级的管。Bets说，恢复原料可以让第二层纳米管继续生长，直到它们准备好被淘汰。

“有三四项实验室研究表明纳米管的生长可以逆转，我们也知道它可以在蚀刻后重新开始，”她说。“所以我们想法的所有部分都已经存在，即使其中一些很棘手。接近平衡时，相同管的生长速度和蚀刻速度之间将具有相同的比例。如果一切都很好而且干净，那么你绝对可以，精确地挑选你瞄准的管子。”

Yakobson实验室不会制造它们，因为它专注于理论，而不是实验。但其他实验室已经将赖斯理论转化为硼巴基球等产品。

“我很确定我们的每一位审稿人都是实验者，他们没有看到任何与它的工作相矛盾的地方，”Bets说。“当然，他们唯一的抱怨是他们现在想要实验结果，但这不是我们所做的。”

她希望更多的实验室能够迎接挑战。“就科学而言，向人群提供想法通常更有益，”贝茨说。“那样的话，那些有兴趣的人可以做100种不同的变体，看看哪一种有效。一个人尝试它可能需要100年。”

雅科布森补充说：“我们不想成为那个‘家伙’。我们没有那么多时间。”