丁峰教授团队：单壁碳纳米管手性选择性生长

8月12日，韩国蔚山国立科技研究院丁峰教授团队的AMR述评文章“Understanding Single-Walled Carbon Nanotube Growth for Chirality Controllable Synthesis”在线发表，总结了团队在手性可控的单壁碳纳米管生长这一研究领域的主要理论观点，提出了三种实现SWCNT手性选择性生长的策略，指出了高纯度SWCNT合成仍面临的一些关键挑战。欢迎感兴趣的读者提问交流。

作者简介

丁峰，韩国蔚山国立科技研究院杰出教授，韩国基础科学院多维碳材料研究中心理论组组长。2002年博士毕业于南京大学，先后在瑞典哥德堡大学、美国莱斯大学、香港理工大学从事碳材料的理论研究。2017年受聘于蔚山国立科技研究院、韩国基础科学院多维碳材料研究中心。主要从事碳材料和二维材料的计算方法开发与理论探索，发表SCI论文300余篇，论文引用总计15000余次，H因子69。

邱璐，韩国基础科学院多维碳材料研究中心博士后，2020年博士毕业于蔚山国立科技研究院。主要从事碳材料与其他二维材料的生长的理论研究。

请简要描述一下这篇Account所介绍的研究及其重要意义。

单壁碳纳米管自上世纪90年代发现以来，与富勒烯、石墨烯一起被认为是最重要的纳米材料之一。从结构上看，碳纳米管可以看成将石墨烯按照某一矢量方向卷曲而成，不同的矢量方向决定了碳纳米管上碳原子排列的螺旋结构或手性。由于手性决定了单壁碳纳米管的结构和电子特性，而碳纳米管在合成过程中手性又呈现随机分布，所以实现具有单一手性的单壁碳纳米管的选择性生长对其应用至关重要（如替代硅成为在下一代电子器件的核心半导体材料），自被发现30年以来一直是碳纳米管研究领域的核心问题之一。碳纳米管的初始手性是在其成核时就能确定的，但在后续的生长过程中其手性也可以发生改变。因此，深入理解单壁碳纳米管成核过程中的手性形成机制以及不同手性单壁碳纳米管的生长动力学，对于实现单一手性的单壁碳纳米管的大规模合成具有重要的科学指导意义。

从2003年开始，我们系统地探索了单壁碳纳米管成核过程中的手性形成过程、单壁碳纳米管的手性对其生长的影响以及单壁碳纳米管手性在生长过程中如何变化等一系列科学问题。同时，我们也与实验合作者一起设计不同的实验策略和方法，实现了具有特定手性结构的单壁碳纳米管的可控生长。在这篇Account中，我们详细回顾了上述这些研究成果，总结了我们在这一研究领域的主要理论观点，并对该领域今后的发展方向进行了展望。

在这篇综述中， 首先我们介绍单壁碳纳米管生长的螺旋位错理论，以阐明手性是如何影响单壁碳纳米管的生长速率以及每种单壁碳纳米管的丰度。其次，我们进一步发展了单壁碳纳米管生长的螺旋位错理论，用以描述单壁碳纳米管在固体催化剂上的生长动力学及其对手性控制的影响。然后，我们讨论了在液体催化剂表面生长的单壁碳纳米管的成核过程，解释了液体催化剂表面生长的单壁碳纳米管的手性角随机形成的理论机制。结合之前的实验结果，我们进一步阐明了利用固体催化剂实现单壁碳纳米管手性选择性生长的可能性。根据目前研究所得的单壁碳纳米管生长理论，我们提出了三种实现单壁碳纳米管手性选择性生长的策略：1)控制固体催化剂颗粒的结构对称性，2)改变单壁碳纳米管生长过程的环境条件，3)控制生长过程中的碳源和蚀刻气体。

我们希望通过这篇文章能让读者更全面地了解单壁碳纳米管生长背后的理论机制，激发读者对单壁碳纳米管研究的兴趣，从而在将来实现基于单壁碳纳米管的高性能电子器件的产业化应用。

请问团队选择该领域的原因是什么？

实现单壁碳纳米管的结构选择性生长是实现单壁碳纳米管高性能器件以及其他关键应用的基础。尽管目前各种纯化策略可以分离具有不同结构的单壁碳纳米管，这些基于溶液法的策略大多数都存在成本高，产量过低，分离后的单壁碳纳米管过短等问题，因此直接生长具有单一手性的单壁碳纳米管仍然是实现单壁碳纳米管高性能器件应用的最佳选择。在过去的二十年里，尽管科学家进行了大量的实验和理论研究，但最终产品中单一手性碳纳米管的丰度通常低于50%，远不能满足用于高性能器件的应用。所以，我们选择对这一重要研究领域的主要进展进行回顾总结，以期能够帮助更多新涉足该领域的研究人员快速了解已有的成果，尽快投入这一重要且具有挑战性的科学领域进行研究。

您认为该领域当前最值得关注的研究热点是什么？

尽管近年来已经有文章报道了单一手性丰度为90%的单壁碳纳米管的选择性生长，但其实验可重复性仍然不高，并且这一纯度仍远未达到单壁碳纳米管基高性能电子器件所需的大于99.99%的水平。我们认为，实现高纯度单壁碳纳米管的合成还存在以下一些关键挑战：

1) 缺乏对单壁碳纳米管生长过程的理论理解。例如，没有可靠的理论方法来模拟单壁碳纳米管生长过程中各种催化剂之间的差异、不同气体环境对单壁碳纳米管生长的影响以及不同种类的衬底对单壁碳纳米管生长的影响。所以发展合适的理论研究方法仍然是理论研究单壁碳纳米管生长机制的核心问题。

2) 缺乏精确的单壁碳纳米管手性表征方法。当前的表征方法要么太昂贵和难以用来表征大量的样品（如TEM，AFM或STM等），要么测量误差较大（如Raman或Rayleigh scattering），所以迫切需要进一步开发用于大规模单壁碳纳米管样品表征的更可靠的方法。

3) 缺乏对催化剂尺寸的精确控制。由于在催化剂制备和单壁碳纳米管生长过程中都存在催化剂的熟化问题，目前所用的所有催化剂制备方法都存在催化剂颗粒尺寸分布范围较宽的问题。所以制备尺寸可以精确控制的催化剂是将来将来实现单壁碳纳米管可控生长的重要先决条件。

4) 缺乏固体催化剂颗粒的形态控制的有效手段。单壁碳纳米管的选择性生长需要精确控制催化剂表面结构。确保所有催化剂颗粒具有相同的表面结构是另一个重要的挑战。

5）缺乏衬底在单壁碳纳米管可控生长过程中的作用认识。

6) 目前，机器学习方法已经广泛应用于探索材料科学，为深入理解单壁碳纳米管的生长机制带来了希望。结合机器学习的手段，对不同催化剂、不同气体环境和不同催化剂表面的单壁碳纳米管生长进行精确模拟，将有可能使我们更深入地了解单壁碳纳米管的生长机理，为可能的选择性生长铺平道路。

请问有其他心得想与读者分享吗？

我们在单壁碳纳米管生长机制的理论研究过程中，与国际相关领域实验课题组保持了紧密的合作，从而能够在共同探索的过程中互相启发，互相促进，形成理论与实验良性循环的研究模式。相信我们在今后的研究中能够展开更广阔，更深入的合作。

来源：研之成理