研究結(jié)果證明，可以直接在碳納米管（CNT）的生長過程中控制其結(jié)構(gòu)。這提高了CNT的應(yīng)用潛力，可以在能量損耗最小情況下，以更高速度并在更遠(yuǎn)距離內(nèi)傳輸電學(xué)信號(hào)。這也提供了獲得新電子器件的可能，例如高性能的精簡計(jì)算機(jī)、具有超級(jí)電容的電極、燃料電池以及其他應(yīng)用，同時(shí)也可以提高光伏電池等現(xiàn)有器件的性能。

該項(xiàng)研究工作是在UniversityofLouisville（肯塔基州，Louisville）和普度大學(xué)（印第安納州，WestLafayette）開展的，并受到了本田美國研究院（HondaResearchInsTItuteUSA，俄亥俄州Columbus）的資助。研究人員在金屬納米顆粒表面生長CNT，在蜂窩狀環(huán)形薄層上形成圓柱形結(jié)構(gòu)，而碳原子就處于這些結(jié)構(gòu)的頂端。當(dāng)這些CNT表現(xiàn)出金屬性導(dǎo)電特征時(shí)，它們的機(jī)械強(qiáng)度比鋼還要高，導(dǎo)電能力比銅還更強(qiáng)，熱傳導(dǎo)能力可與金剛石比擬，而且它們非常輕。

CNT的各種組合（n,m）形式。每種組合（n,m）對(duì)應(yīng)一種具體的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的導(dǎo)電性：紅色和粉色表現(xiàn)出金屬性質(zhì)，而藍(lán)色為半導(dǎo)體性質(zhì)。通過控制催化顆粒的形狀和尺寸，可以獲得的擇優(yōu)性生長的金屬性CNT，其組合如圖所示，圓柱的高度表示材料上生長特定（n,m）CNT的相對(duì)概率。（來源：本田美國研究院）

該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在10月2日出版的《科學(xué)》期刊上，題為“preferenTIalGrowthofSingle-WalledCarbonNanotubesWithMetallicConducTIvity”。據(jù)研究報(bào)告，單壁CNT（SWCNT）根據(jù)其導(dǎo)電能力可以分為金屬型和半導(dǎo)體型，而其導(dǎo)電能力又取決于碳管的手性。傳統(tǒng)的合成方法不能生長出具有特定導(dǎo)電能力的納米管。以前通過普通方法控制金屬導(dǎo)電型CNT結(jié)構(gòu)，但成功的幾率只有20-50%。然而，研究人員認(rèn)為，通過改變催化劑熱退火時(shí)的氣體環(huán)境，并加入一些氧化性和還原性組分，可以將金屬導(dǎo)電型CNT的形成幾率從約33%提高到91%。

本田和學(xué)術(shù)界的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在制作工藝過程中使用氬氣或氦氣作為承載氣體，可以控制生長的CNT，使之變成金屬型或半導(dǎo)體型。根據(jù)本田研究院的首席科學(xué)家AveTIkHarutyunyan介紹，這是關(guān)于系統(tǒng)地控制金屬態(tài)CNT生長的首次報(bào)道。“進(jìn)一步的研究還在進(jìn)行之中，最終的目標(biāo)是完全控制納米管的生長組合以支持現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。”

Harutyunyan還介紹說，過去的觀點(diǎn)認(rèn)為，金屬納米催化劑主要用于CNT成核，而催化劑的尺寸決定了CNT的導(dǎo)電能力，但現(xiàn)在的研究表明，催化劑的形狀和晶體結(jié)構(gòu)也具有很大影響，而正是通過對(duì)這些因素的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)CNT導(dǎo)電性能的控制。過去整個(gè)生長CNT的工藝是隨機(jī)的，因此無法決定得到的是半導(dǎo)體型還是金屬型（不同種類對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用）碳管。金屬型納米管在諸多領(lǐng)域更為有用，這包括作為導(dǎo)體材料連接其他納米結(jié)構(gòu)、作為太陽能電池以及其他光學(xué)和電子器件的窗口材料。

在普度大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)由EricStach領(lǐng)導(dǎo)，使用由本田開發(fā)的技術(shù)，制造了大量CNT并精確地測定了其導(dǎo)電屬性。他們使用TEM來觀測納米管形成，結(jié)果表明，氣體環(huán)境的變化可以改變金屬催化劑納米顆粒的形狀，從非常尖銳的表面可以變成完全球形的表面。這些催化劑結(jié)構(gòu)重排表明，在催化劑形貌與獲得的CNT電學(xué)結(jié)構(gòu)之間，存在一定關(guān)系，進(jìn)而表明可選擇生長的手性。由GaminiSumanasekera領(lǐng)導(dǎo)的Louisville研究人員，則制作了薄膜狀的CNT，并進(jìn)行了仔細(xì)的測量以確定該納米管是否形成了金屬態(tài)。

Sumanasekera期望這一發(fā)現(xiàn)可以重新激發(fā)這一領(lǐng)域的興趣。“碳納米管可能會(huì)取代一些目前被普遍使用的材料，可以滿足對(duì)導(dǎo)電性和透光能力的更高需求”，他這樣認(rèn)為。