一位小朋友摸到靜電球的球殼，頭發(fā)立刻像刺猬般根根直豎，這是科技館里很常見的場景。如果一個碳納米管束被人為附加上足夠的電荷，又會是怎樣一幅景象呢？
當碳納米管束帶的電荷達到一定程度時，在電子顯微鏡下，它會形成一種獨特、新奇的像樹一樣的放射狀格局。不僅如此，這些呈樹枝狀分離的碳納米管還具有較小的直徑(3納米)，有的甚至是單根的碳納米管。這是國家納米科學(xué)中心研究員孫連峰與中國科學(xué)院物理所解思深院士等人合作研究的最新成果。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院“百人計劃”等的資助。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期的《納米快報》上。
遭遇瓶頸的化學(xué)分離方法
單壁碳納米管是一種具有戰(zhàn)略意義的新興材料，它在復(fù)合材料、平板顯示器、真空電子器材、生物探測器、抗電磁干擾材料等方面有廣泛的應(yīng)用。
目前，科研人員已經(jīng)能夠根據(jù)需要大量制備單壁碳納米管�！暗�，由于單壁碳納米管結(jié)構(gòu)獨特，性質(zhì)奇異，管與管之間存在比較大的相互吸引力，科學(xué)家所制備的碳納米管往往相互糾纏，形成碳納米管束。”孫連峰說，“如果不能有效地分離出單根碳納米管，就意味著無法對單根碳納米管器件的制備及其物理特性展開相關(guān)研究。因此，如何將碳納米管分離是需要研究解決的重要問題�！�
電泳分離法和層離法是現(xiàn)在最常用的碳納米管束分離方法。孫連峰指出，這些現(xiàn)在常用的分離方法大多是化學(xué)方法。這些方法往往涉及到多種化學(xué)試劑(如表面活性劑)的使用，并且需要經(jīng)過多步物理、化學(xué)過程才能完成。這些化學(xué)方法雖然可以有效地分離出單根碳納米管，但由于存在摻雜效應(yīng)，可能改變了碳納米管本身的固有性質(zhì)，而且得到的單壁管長度也大都不理想。
比如說，電泳分離法就首先要使用表面活性劑對碳納米管束進行處理，然后使用超聲波沖擊，最后在電泳池里分離�！斑@就產(chǎn)生了許多問題，碳納米管有可能吸附表面活性劑分子從而改變自身的物理特性，從而使原來呈現(xiàn)的金屬性或者是半導(dǎo)體性發(fā)生改變；另外，超生波的沖擊還可能會破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，即便最后能夠獲得結(jié)構(gòu)完整的管，一般來說長度也只有200納米左右。”孫連峰說，“這給后續(xù)研究造成了諸多不便。因此，探索全新的、避免化學(xué)修飾的分離方法，是單壁碳納米管以及器件研究的一個重要問題。”
意外發(fā)現(xiàn)的物理分離方法
“發(fā)現(xiàn)靜電對碳納米管束的分離作用純屬偶然�！睂O連峰笑道，“一開始我們并沒有計劃要用電流來分離碳納米管束，只是進行另一個實驗的時候，意外發(fā)現(xiàn)了當碳納米管束帶有大量電荷的時候會產(chǎn)生‘爆炸’現(xiàn)象�！�
這種碳納米管束意外分離的現(xiàn)象當然引起了他們的關(guān)注，為了尋找“爆炸”的原因，他們進行了大量實驗。
孫連峰解釋說：“這種分離方法實際上利用的是最基本的同種電荷相互排斥的原理，讓一束單壁碳納米管帶上同種電荷，當電荷之間的排斥力大于管之間的相互吸引力時，‘爆炸’就發(fā)生了�！�
孫連峰把這種全新的碳納米管物理分離方法命名為庫侖爆炸法。相互分離的碳納米管形成的那種獨特、新奇的放射狀格局，非常類似于科技館里小朋友觸摸靜電球后怒發(fā)沖冠的樣子，于是它被稱為“納米樹”(nanotree)。納米樹的樹枝大小和長度不一，有的樹枝可能就是單根的單壁碳納米管，長度則可以達到5微米以上。
為了確認庫侖爆炸法并沒有破壞分離后的碳納米管的結(jié)構(gòu)，孫連峰研究組進行了大量的驗證工作。
通過原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜(Raman)等實驗證明，庫侖爆炸法并不會破壞碳納米管本身的結(jié)構(gòu)。
另外，孫連峰研究組還利用碳納米管均勻帶電模型，對發(fā)生庫侖爆炸所需的理論電壓進行了計算，結(jié)果與實驗數(shù)值十分接近。
不過，孫連峰對庫侖爆炸法還是表示了謹慎的樂觀。他指出，由于用于分離的碳納米管束形狀和結(jié)構(gòu)不一，庫侖爆炸法的可控性還不是很理想。
接下來，孫連峰準備在庫侖爆炸法分離出來的納米樹上，測試單壁碳納米管的物理特性，以及分離后單壁碳納米管加上電極后會有什么有趣的事情發(fā)生。
“雖然每個納米樹的形狀可能都不一樣，但如果只是選取一個三端或者是四端結(jié)構(gòu)的話，實際上我們已經(jīng)制備出了多端器件的雛形，希望我們接下來的工作能夠?qū)⒍喽似骷芯肯蚯巴七M一大步�！睂O連峰說。
當碳納米管束帶的電荷達到一定程度時，在電子顯微鏡下，它會形成一種獨特、新奇的像樹一樣的放射狀格局。不僅如此，這些呈樹枝狀分離的碳納米管還具有較小的直徑(3納米)，有的甚至是單根的碳納米管。這是國家納米科學(xué)中心研究員孫連峰與中國科學(xué)院物理所解思深院士等人合作研究的最新成果。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院“百人計劃”等的資助。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期的《納米快報》上。
遭遇瓶頸的化學(xué)分離方法
單壁碳納米管是一種具有戰(zhàn)略意義的新興材料，它在復(fù)合材料、平板顯示器、真空電子器材、生物探測器、抗電磁干擾材料等方面有廣泛的應(yīng)用。
目前，科研人員已經(jīng)能夠根據(jù)需要大量制備單壁碳納米管�！暗�，由于單壁碳納米管結(jié)構(gòu)獨特，性質(zhì)奇異，管與管之間存在比較大的相互吸引力，科學(xué)家所制備的碳納米管往往相互糾纏，形成碳納米管束。”孫連峰說，“如果不能有效地分離出單根碳納米管，就意味著無法對單根碳納米管器件的制備及其物理特性展開相關(guān)研究。因此，如何將碳納米管分離是需要研究解決的重要問題�！�
電泳分離法和層離法是現(xiàn)在最常用的碳納米管束分離方法。孫連峰指出，這些現(xiàn)在常用的分離方法大多是化學(xué)方法。這些方法往往涉及到多種化學(xué)試劑(如表面活性劑)的使用，并且需要經(jīng)過多步物理、化學(xué)過程才能完成。這些化學(xué)方法雖然可以有效地分離出單根碳納米管，但由于存在摻雜效應(yīng)，可能改變了碳納米管本身的固有性質(zhì)，而且得到的單壁管長度也大都不理想。
比如說，電泳分離法就首先要使用表面活性劑對碳納米管束進行處理，然后使用超聲波沖擊，最后在電泳池里分離�！斑@就產(chǎn)生了許多問題，碳納米管有可能吸附表面活性劑分子從而改變自身的物理特性，從而使原來呈現(xiàn)的金屬性或者是半導(dǎo)體性發(fā)生改變；另外，超生波的沖擊還可能會破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，即便最后能夠獲得結(jié)構(gòu)完整的管，一般來說長度也只有200納米左右。”孫連峰說，“這給后續(xù)研究造成了諸多不便。因此，探索全新的、避免化學(xué)修飾的分離方法，是單壁碳納米管以及器件研究的一個重要問題。”
意外發(fā)現(xiàn)的物理分離方法
“發(fā)現(xiàn)靜電對碳納米管束的分離作用純屬偶然�！睂O連峰笑道，“一開始我們并沒有計劃要用電流來分離碳納米管束，只是進行另一個實驗的時候，意外發(fā)現(xiàn)了當碳納米管束帶有大量電荷的時候會產(chǎn)生‘爆炸’現(xiàn)象�！�
這種碳納米管束意外分離的現(xiàn)象當然引起了他們的關(guān)注，為了尋找“爆炸”的原因，他們進行了大量實驗。
孫連峰解釋說：“這種分離方法實際上利用的是最基本的同種電荷相互排斥的原理，讓一束單壁碳納米管帶上同種電荷，當電荷之間的排斥力大于管之間的相互吸引力時，‘爆炸’就發(fā)生了�！�
孫連峰把這種全新的碳納米管物理分離方法命名為庫侖爆炸法。相互分離的碳納米管形成的那種獨特、新奇的放射狀格局，非常類似于科技館里小朋友觸摸靜電球后怒發(fā)沖冠的樣子，于是它被稱為“納米樹”(nanotree)。納米樹的樹枝大小和長度不一，有的樹枝可能就是單根的單壁碳納米管，長度則可以達到5微米以上。
為了確認庫侖爆炸法并沒有破壞分離后的碳納米管的結(jié)構(gòu)，孫連峰研究組進行了大量的驗證工作。
通過原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜(Raman)等實驗證明，庫侖爆炸法并不會破壞碳納米管本身的結(jié)構(gòu)。
另外，孫連峰研究組還利用碳納米管均勻帶電模型，對發(fā)生庫侖爆炸所需的理論電壓進行了計算，結(jié)果與實驗數(shù)值十分接近。
不過，孫連峰對庫侖爆炸法還是表示了謹慎的樂觀。他指出，由于用于分離的碳納米管束形狀和結(jié)構(gòu)不一，庫侖爆炸法的可控性還不是很理想。
接下來，孫連峰準備在庫侖爆炸法分離出來的納米樹上，測試單壁碳納米管的物理特性，以及分離后單壁碳納米管加上電極后會有什么有趣的事情發(fā)生。
“雖然每個納米樹的形狀可能都不一樣，但如果只是選取一個三端或者是四端結(jié)構(gòu)的話，實際上我們已經(jīng)制備出了多端器件的雛形，希望我們接下來的工作能夠?qū)⒍喽似骷芯肯蚯巴七M一大步�！睂O連峰說。
