清华大学魏飞团队揭示碳纳米管生长中的分子进化行为

针对碳纳米管的选择性生长机制，魏飞团队定义了碳纳米管数量随着长度减少的半衰长度（以模板组装代数计算），实验结果显示了四个层次的精准调控可能。第一，相比于手性碳纳米管，非手性碳纳米管在动力学竞争中具有明显劣势，因此在厘米级以上的超长碳纳米管中难觅踪迹，说明了手性自组装形式在模板自催化组装中的重要作用。第二，缺陷型碳纳米管由于六元环模板结构被破坏而带来的动力学劣势，比完美型碳纳米管在生长过程中表现出更快的数量衰减速度和更短的半衰长度。第三，在完美型碳纳米管中，金属性碳纳米管的半衰长度比半导体性碳纳米管更短，与之前发现的带隙耦合模板自催化生长结果一致。第四，在半导体性碳纳米管群体内部，不同壁数的碳纳米管同样存在区别，半衰长度由小到大分别是单壁、三壁和双壁，其中双壁碳纳米管由于独特层间作用带来的共进化特征，而具有更强的动力学稳定性。最终的进化结果为：在双壁碳纳米管中，至少一层壁手性角接近19.1度的半导体性双壁管具有最高的占比和最长的半衰长度。

此外，该团队还定义并基于实验结果计算了逐步富集生长中不同种类碳纳米管的欧几里得距离，佐证了不同种类碳纳米管在进化意义上的差异。该团队把超长碳纳米管的动力学生长由于具有模板自催化的基础，在实验中表现出了多特征的逐步进化生长现象，形象地总结成一棵生长进化树。此外，通过碳源的微小调整带来了明显生长结果差异（手性、直径等参数分布情况），证明了环境因素对进化生长的影响，全面深入地阐释了碳纳米管的进化生长机理。

近日，相关成果以“超长半导体性双壁碳纳米管的分子进化生长”（Molecular Evolutionary Growth of Ultralong Semiconducting Double-Walled Carbon Nanotubes）为题发表在知名期刊《先进科学》（Advanced Science）上。

清华大学化工系2018级博士生高俊为论文第一作者，魏飞教授和朱振兴助理研究员为论文通讯作者，其他作者包括化工系2019级博士生江雅馨、2022级博士生陈思博、2020级硕士生岳鸿杰和任禾博士后。该研究得到国家自然科学基金青年基金、科技部国家重点研发计划、中国科协青年人才托举工程、中国博士后科学基金特别资助，清华大学“水木学者”等项目支持。

论文链接：

http://doi.org/10.1002/advs.202205025