单根碳纳米管的“基因”编辑

<正>碳元素在自然界中分布广泛,“有机碳”构成有机物和生命体的分子骨架,“无机碳”可形成立方结构的金刚石和六方结构的石墨.以石墨六元环为基本单元,还可组成多种低维碳纳米材料,如零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯、石墨炔等.碳纳米管是日本科学家饭岛澄男于1991年在透射电子显微镜(TEM)下发现的[1].碳纳米管的直径为纳米尺度,     

编者按

<正>纳米碳材料是过去30年间最为活跃的研究领域之一.富勒烯、碳纳米管、石墨烯等一系列碳质新材料先后被发现,带来了丰富的新结构、新现象、新物理和新应用,掀起并带动了持续至今的纳米科技研究热潮.纳米碳材料之所以受到广泛关注是因为其特有的几何结构、以sp2杂化为主的成键方式以及由此带来的优异的电学、力学、热学、光学等特性.例如,碳纳米管和石墨烯分别是已知最细和最薄的材料,具有远高于硅的载流子迁移率、最高的热导率和力学强度,以及优异的柔韧性.纳米碳材料的性能对结构变化极其敏感,如手性     

纳米碳复合材料的结构设计和功能仿生

高含量纳米碳复合材料能够更好地体现碳纳米管等纳米材料自身的性质.借助自然材料的结构设计和整合思想,使得高含量的纳米碳组装结构体及其复合材料具有结构的合理化、性能的优异化、材料的可控化和应用的高效化,这种方法也将成为未来纳米复合材料发展的重要方向.本文主要介绍了高含量仿生纳米碳复合材料加工过程、结构和界面的仿生设计思想,以及其在仿生智能驱动中的应用进展.     

碳纳米管在蓄电池中的应用

通过对碳纳米管———大约 10年前发现的碳存在的新形式的试验首次显示 ,用这种微型管代替传统的石墨电极 ,有可能在蓄电池中储存更多的能量。在美国北卡罗莱纳大学所进行的这项试验显示 ,碳纳米管可储存的能量大约是石墨的两倍。研究人员说 ,一个可能性就是可生产寿命更长的蓄电池。由于碳纳米管的大量潜在用途 ,科学家和其他人士 ,其中包括媒体都对其产生很大的兴趣。它们是有单层碳原子组成的非常坚强的管状结构 ,其直径只有大约 1纳米。碳纳米管未来的用途可能包括平板显示器和通讯设备、燃料电池、高强复合材料和新型分子电子设备。人…     

基于纳米碳的水伏材料及其能量转换器件

如何收集和转化自然界巨大的水能资源是近年来研究的焦点.自碳纳米管被发现具有在流水中产生电信号的性质以来,以纳米碳为主的水伏材料因具有独特的"水生电"特性引起广泛的研究兴趣.水能资源具有采集难度低、存在范围广、储量丰富等特点,主要以液态水、气态水两种形式存在.碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料通过双电层理论和电动理论捕获雨水、水流、波浪等液态水能,而具有多孔结构、高比表面积、氧浓度梯度的碳量子点、碳黑、氧化石墨烯等则利用其独特的结构,实现对气态水能的转化利用.本文系统总结了纳米碳材料将液态、气态水中蕴含的机械能、化学能转化为电能的研究进展以及其能量转换器件;阐述了不同纳米碳和相关器件对水能的转化原理,并指出了水伏材料与器件发展过程中需要面对的挑战以及可能的发展方向.     

采用离散偶极子近似(DDA)方法研究渐变锥形金属纳米结构的超聚焦效应

利用离散偶极子近似(discrete dipole approximation, DDA)方法对渐变锥形金属纳米结构中的超聚焦效应进行了分析和讨论. 数值计算证明该结构能够较好地实现对入射光场能量的纳米尺度汇聚. 基于解析和数值模型进一步分析了超聚焦效应与入射光波长、结构角度、结构厚度以及材料损耗之间的关系. 计算结果表明, 通过合理设计参数, 结构尖端的场强可增至入射场强的几十到上百倍, 从而实现明显的光场超聚焦效果. 另外证明采用DDA方法建模金属纳米结构具有相当好的计算精度和速度.     

表面上单壁碳纳米管的可控生长

单壁碳纳米管因其特殊的结构和优异的电学性质可能成为未来纳米器件的支撑材料之一. 如何获得结构和性能完全可控的单壁碳纳米管, 如何用碳纳米管构筑各种可能的器件结构单元, 这是人们目前研究的热点问题. 实现单壁碳纳米管在表面的直接可控生长将有助于获得结构和性能可控的纳米管. 本文主要从表面上单壁碳纳米管的生长条件、生长的可控性和生长机理等几个方面对单壁碳纳米管在表面上的可控生长进行综述.     

碳基纳米管的生长机理、结构调控及能源导向的功能化研究*

简要介绍了以苯为原料生长碳纳米管的六元环机理,运用该机理的基本思想设计制备了N,B掺杂的碳基纳米管,方便地构建了高分散的铂基纳米复合催化剂,在燃料电池电极催化反应（甲醇氧化、氧还原）中具有优良的电催化性能。富电子N或缺电子B的掺杂均可将碳纳米管转变为优良的无金属氧还原催化剂。这些研究为设计和开发替代或优化利用贵金属的高性能燃料电池催化剂提供了新的思路、方法和途径,展示了碳基纳米管在新型能源材料领域的广阔前景,也体现了基础研究在科技创新中的重要作用。     

新型碳纳米管的研究

在电弧法制备富勒烯(C_(60),C_(70)等)的过程中,也产生了石墨的、纳米尺寸的管状物(碳纳米管).碳纳米管的发现大大地开拓了碳纤维的研究领域.碳纳米管(直径约为2—20nm,长度约为几微米)是一种新型低维材料.它引起了物理学家、化学家的极大兴趣.自从碳纳米管发现以来,有关碳纳米管的工作已有不少报道.理论研究指出碳纳米管的电子特性和它们     

碳纳米管膜的压阻效应

对碳纳米管(CNT)膜的压阻效应进行了研究. 实验所用的碳纳米管用热灯丝气相沉积法(CVD)合成, 压阻效应用3点弯曲法测量. 研究发现: 在室温下与500微应变时, 碳纳米管膜的压阻因子至少是65, 超过多晶硅(Si)在35℃时的压阻因子30. 并且, 碳纳米管膜的压阻因子随温度的升高而变大. 还讨论了碳纳米管膜出现压阻效应的机制.     

碳纳米材料可能损害脑组织

美国研究结果显示,布基球结构的碳纳米微粒会损害鱼的脑部。这是研究人员首次找到纳米微粒可能给水生物种造成毒副作用的证据,它在美国挑起了新一轮纳米技术利弊之争。在研究中将9条年幼的黑鲈鱼放入容量10升的鱼缸内,让其接触水溶性碳60。碳60是由60个碳原子组成的碳同素异形体,呈现为类似微型足球的笼状结构,这种结构又称布基球,其直径通常只有人头发丝的几千分之一。48小时后对这些鱼脑组织样本的分析发现,它们脑部所受损伤比处于不含碳60的清水中的黑鲈要严重17倍。损伤主要表现为脂质的过氧化反应,它能导致脂质分解,削弱细胞膜正常功能…     

纳米碳管制备新技术——固相热解法

纳米碳管是近几年继富勒球之后科学界的又一重大发现,其独特的一维纳米管嵌套结构使其表现出众多独特的力学和物化性能,如高强度、熔体毛细吸附效应和微电场发射等,显示出诱人的结构和功能应用前景,目前深受物理和材料学界的关注。有关纳米碳管的制备是该领域的研究热点之一。 自Iijima于1991年发现电弧放电产物中的纳米管碳结构以来,电弧放电法一直为制备纳米碳管的主要方法。其原理为石墨电极在电弧产生的高温下蒸发,在阴极沉积出纳米管。此方法的缺点是:（Ⅰ）高温:电弧温度高达3000～3700℃,常导致碳纳米管烧结;（Ⅱ）不稳定:一次稳定的电弧放电只能持续10s,间断放电导致产物结构不均匀和大量碳粒子混     

石墨烯及其应用

正距成功制备石墨烯已近十年,全球对石墨烯的研究热度却依然不减,仅在Nature和Science上发表的与石墨烯相关的论文就有数十篇之多。自从1985年富勒烯C_(60)~([1])和1991年碳纳米管(carbon nanotube,CNT)~([2])被发现以来,碳纳米材料的研究成为了材料领域的研究热点,世界各国研究人员对它们怀有极大的兴趣。虽然碳的三维(石墨和金刚石)、零维(富勒烯)和一维(碳纳米管)同素异形体相继被发现,但长期以来,科学界一直认为二维晶体由于热力学     

石墨炔负载金属原子催化剂研究进展

金属原子催化剂实现了原子百分之百利用率,具有高选择性和高活性等特点.但由于单个原子表面能大,容易团聚成纳米颗粒,稳定金属原子催化剂的制备对基底提出了较高的要求.石墨炔的特殊结构使其成为一种潜在的金属原子催化剂载体.石墨炔是一种由sp~2和sp杂化碳原子共同组成的新型碳的同素异形体.由于碳碳三键具有线性、无顺反异构和高共轭性等优点,使得石墨炔具有类似石墨烯的二维平面结构,同时具有高导电性、高比表面积、结构稳定等优异性质.石墨炔结构中的sp杂化碳原子能与金属原子形成强的共价键,从而使金属单原子能稳定存在石墨炔结构中;因此石墨炔是一种理想的金属原子催化剂载体.本文从石墨炔负载金属原子催化剂的结构出发,论述了石墨炔负载金属原子催化剂的研究进展,包括石墨炔负载金属原子催化剂的结构、制备方法、表征手段,重点论述了石墨炔负载金属原子催化剂在电化学催化领域的理论和实验进展.实验证明石墨炔负载的贵金属(Pt和Pd)原子催化剂以及过渡金属原子(Ni和Fe)催化剂都具有优异的电化学催化活性和循环使用性能.     

单/双壁碳纳米管-层状金属氧化物片层交织结构的三维纳米复合材料

将一维的碳纳米管与二维的片层材料组合形成多级有序的三维纳米结构材料, 可获得许多奇特的新性能. 目前将碳纳米管分散在基体中形成了多种复合材料, 发现其力学、电学、磁学、热学以及输运性能都呈现了显著的增强, 但是在基体中均匀地分散碳纳米管往往是材料组装过程中的核心问题. 发展有效可控的一维/二维材料有序组装方法是获得高性能材料的关键. 碳纳米管生长结束后, 在表面活性剂、生物大分子辅助下超声、剪切、搅拌等是其分散常用的方法. 如果能利用碳纳米管生长过程中借助特殊结构的催化剂及工艺对碳纳米管的排列及分散进行原位控制, 这样就有望一步获得碳纳米管高度分散、多级有序、高性能的三维纳米复合材料. .....     

分离单壁碳纳米管的库伦爆炸法

虽然目前人们能够大量制备单壁碳纳米管,但由于管与管之间存在比较大的范德华力,所得到的碳纳米管往往相互纠缠,形成碳纳米管束.国家纳米科学中心孙连峰研究组与中国科学院物理研究所解     

热解法制备MOF衍生多孔碳材料研究进展

纳米多孔碳材料因其丰富的空隙、大比表面积及易于设计等特点在工业上展现出巨大的应用潜力,而通过调控其组成结构以获得更优的性能并实现制备成本的控制一直是研究的重点.金属有机框架(MOFs)作为一种新型的晶态多孔材料,具有组成可调、结构多样、孔径可控等特点,在催化、能量储存和转化、气体储存、环境修复等诸多方面受到了广泛的关注.特别地,基于MOFs的结构与组成,MOFs被用作制备各种形式的纳米多孔碳材料以及新的多功能碳基复合材料的通用前体,与单个组件组装的复合材料相比,它往往表现出更优越的功能特性.本文综述了近年来采用MOFs热解的方法制备多孔碳材料的设计原理和策略,为获得高性能多孔碳及其复合材料提供借鉴并给出了未来的发展前景和挑战.     

碳纳米管的研究现状

单层碳纳米管的发现当前最大的课题是研究怎样进行的，饭岛与IBM公司的口体恩（Bethune）研究组，两者几乎同时发现了单层碳纳米管的合成。饭岛等在通常的电弧放电法容器内，充入总压力100torr的甲烷与氩气．阴极碳电极的一部分换成铁，铁与碳同时蒸发则得合成产品。贝休息等对比则在电弧放电法碳阳极充填钻的粉末，使之在氦气中蒸发后，于容器内生成的橡胶状的块中发现存在直径互～2纳米的单层碳纳米管。再者日本三重大学的齐藤用镍依同样方法，合成单层碳纳米管亦获得成功。应该注意的是：用这些方法制得的单层碳纳米管不是存在于阴极堆…     

块体金属玻璃过冷液相的高热稳定性与非晶形成能力的原子机制

过去几十年里,从原子尺度理解块体金属玻璃形成过冷液相特性与微结构的关系吸引了材料学家和凝聚态物理学家极大的关注,是此类先进工程金属材料得到实际开发应用的关键之所在。本文综述了前期有关块体金属玻璃有序原子团簇结构随热处理或微量元素添加,演化及其对过冷液相热稳定性、晶化行为和玻璃形成能力影响的研究成果;并聚焦在块体金属玻璃过冷液相中的两类不同原子团簇,即类二十面体原子团簇和类晶体原子团簇。这两类原子团簇的共同存在是块体金属玻璃高热稳定性和纳米晶化的重要因素。通过微合金可以调控过冷金属液相中原子团簇的结构和体积分数,从而进一步推进它们的实际工程或功能性运用。     

简单溶液法组装碳纳米管三维垂直网络构架

通过溶液法成功地组装了三维碳纳米管网络状结构, 这些纳米结构在局部范围内较有 序, 相互之间纵横交错且交叉角在90°附近. 其中, 三维碳纳米管网络状结构连接的节点稳定而且与各个连接的纳米管相通, 这将拓展碳纳米管网络状结构的应用, 如导电和物质输运等. 进一步的研究发现, 三维碳纳米管网络状结构和三维碳纳米管网络状结构/银复合材料可用作检测氨气的气敏性. 该溶液相组装碳纳米管的技术, 不仅仅突破了以往只有物理法组装碳纳米管网络状结构的限制, 而且为碳纳米管的下一代组装提供了一条新途径.