清华大学 化工系魏飞团队揭示碳纳米管生长中的分子进化行为
2024/04/18
546近日，清华大学化工系魏飞教授-朱振兴助理研究员团队利用精确调控的实验设计，全面揭示了碳纳米管生长中表现出的分子进化特征。该团队证明，碳纳米管进化生长的基础在于，碳纳米管六元环结构的长程有序结构充当了其动力学延伸生长中的自组装模板。不同结构的碳纳米管，从初生的原子自组装模板开始，由于微小的动力学差异，从而在超过亿次乃至数十亿次的模板组装迭代中被放大，并产生显著的动力学筛选效果，远离了热力学平衡态控制。该研究是该团队继揭示生长速度筛选制备高半导体纯度碳纳米管、带隙耦合的模板自催化机理等工作之后，对碳纳米管选择性生长机理的进一步深入理解和解析，为审视碳纳米管生长中的动力学提供了全新的分子进化思路，为实现碳纳米管乃至其他手性材料的选择性完美制备提供了新的指引。
模板自组装行为在与生命相关的分子复制中广泛存在，却很少出现在非生命的物质中。生命相关分子的模板自组装行为通常以自催化形式进行，并且能够表现出分子层面的进化行为，被认为是生物宏观层面进化现象的物理化学基础。碳纳米管自发现以来就因其优异性能和应用潜力而备受关注，严格控制碳纳米管的完美无缺陷结构以及半导体性、手性等参数的选择性制备仍然是制约其高端应用的关键问题。
碳纳米管逐步进化生长示意图
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。
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