单壁碳纳米管可以认为是由石墨烯卷曲形成的一维中空结构，具有优异的力学、电学和光学性能。作为一种半导体材料，碳纳米管有着很多优于硅的天然属性，特别适合在几千个原子的尺度上建造纳米级晶体管，其中的电子也可以比硅晶体管更轻松地转移，实现更快速的数据传输，纳米管的形状也是在原子尺度上组成晶体管的上佳之选。因此，碳纳米管技术多年来一直被视为电脑芯片业界的救星，在硅芯片面临着技术和物理瓶颈时，可以接棒继续提高芯片的性能。然而，实际制造的碳管计算机面临着重要的材料缺陷：单壁碳纳米管(n, m)结构和性能的不均一性。因此，理解单壁碳管的生长机制并制备结构均一的单壁碳管是目前碳管合成领域的关键技术难题，面临着巨大的挑战。
近日，青岛科技大学生态化工国家重点实验室、泰山学者优势特色学科团队、化学与分子工程学院的何茂帅教授在单壁碳纳米管的可控制备和生长机制研究方面取得新进展。与北京大学张锦院士团队以及韩国蔚山国家科学技术研究院的丁峰教授团队一起，提出了一个普适的碳管生长动力学模型，并从实验上证实了影响碳管生长动力学的关键因素，实现了螺旋角为19.1o的（2n, n）单壁碳管的高纯度合成。在新的碳管生长模型中，研究人员重点强调了催化剂以及其表面的碳的浓度对碳管生长速度的重要性。当体系中刻蚀剂的浓度很高时，碳管的生长速率正比于碳管开口端的活性位点数。当刻蚀剂的浓度很低时，碳管的生长速率与其活性位点数无关，而是取决于催化剂的裸露面积以及碳管的管径。这一推论与原位环境透射电镜实验中观察到的结果相吻合。在此反应区间内，通过提高反应过程中碳的供给，能够选择性地使与活性位点少的碳管相连的催化剂失活，进而高效生长出纯度高达90%以上的（2n, n）碳管。本工作不仅推动了对单壁碳纳米管生长机制的认识，而且为可控生长单壁碳管提供了新的思路。
该文以青岛科技大学生态化工国家重点实验室为第一通讯单位，并以“Growth kinetics of single-walled carbon nanotubes with a (2n, n) chirality selection”为题发表在学术期刊《Science Advances》(5, eaav9668 (2019), IF = 12.084)上。论文链接https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaav9668。
