即使纳米管也始于渺小：端口由平面碳生成，它是生长纳米管的种子。图中左侧，电脑图像中添加了扫描隧道显微镜拍摄图像。来源：Empa / Juan-Ramon Sanchez。
使用特制的有机前体分子，研究人员已经首次成功生长出具有相同电子性质的单壁纳米管。


     未来，有可能为纳米管装备特殊性能，如电子设备所必须的性能。在瑞士杜本多夫的Empa和在斯图加特马克斯普朗克固体研究所的研究人员已经首次长出了碳纳米管（CNTs），它具有单一的，预先确定的结构。这些纳米管也因此具有相同的电子性质。其中决定性的技巧是：该小组采取了一个来自马普研究所研究人员使用的方法，并生产出来自定制有机前体分子的碳纳米管。研究人员从那些前体分子开始，已经在铂表面创建了碳纳米管，他们在自然杂志最新一期进行了报道。将来可以使用碳纳米管，例如，超灵敏光学探测器以及很小的晶体管。
     20年来，为了碳纳米管的应用，材料科学家一直致力于碳纳米管的研发，他们一直在同一个问题斗争，现在一个很好的方案已经呈现在眼前。因为它们具有不同寻常的机械、热学以及电子性质，微管具有石墨碳和格子结构，它已经成为纳米材料的实施例。这些纳米管可以被用于制造下一代电子和光电子元件，使这些电子元件有比以前尺寸更小和开关时间更短。但是要实现这一点，材料科学家必须给纳米管配备特定的性质，这些性质取决于结构。然而，迄今为止，已有的制备方法生产出的纳米管都是尺寸不同的混合物，来自于Empa和马普的研究小组现在已经纠正了纳米管的生产方式，采用了新的方法。
     最佳品种纯度的碳纳米管有市场需求
     直径约1纳米的单壁纳米管(SWCNTs)，被认为具有量子结构；仅在直径上有非常小的差异，例如，或者是原子格子的取向，可以显著改变电子性质；纳米管可以是一种金属，而具有微小结构差异的另一个却是半导体。与此相对应，人们对最佳品种纯度的单壁碳纳米管的可靠生产方法很感兴趣。研究人员与Martin Jansen一起工作，他是在马克斯普朗克研究所从事固态研究的名誉主任，十年来他的工作一直追求恰当的合成理念。然而，现在它是唯一的方法，在Empa和在斯图加特马普学会的表面物理学家们已经在实验室内成功实现了这一想法。研究人员令自组织过程中结构相同的单壁纳米管在铂表面生长，并且可以明确定义他们的电子性质。
     Martin Jansen领导的马普研究小组希望利用小分子前体合成碳纳米管。他们认为这一想法应该可以实现将前体分子转换为可控端口，它将成为单壁碳纳米管的种子，因而明确纳米管的结构。有了这种想法，他们走近了Empa小组，同Roman Fasel一起工作，他是Empa的 «nanotech@surfaces»部门的负责人，也是伯尔尼大学生物化学系名誉教授。这个小组已经工作一段时间了，主要研究分子如何在表面上被转化或结合成得复杂的纳米结构，根据分子自组织原则。Roman Fasel说：“现在面临的挑战是寻找合适的前体分子，实际是在光滑的表面上生长。”最终是由斯图加特马克斯普朗克研究所的Andreas Mueller和Konstantin Amsharov利用微不足道的150个原子实现了这一想法。
     铂表面的分子折纸术
     碳纳米管到底是在什么过程中形成的呢？第一步，在折纸术中，平坦的前体必须转换成三维实体，也就是种子。它是在热的铂表面上，在催化剂的帮助下发生的反应，由此氢原子被从前体中被分离出来，并在特定的位置生成新的碳-碳键。种子从平坦的分子上折叠起来：位于铂表面微小的，开放式的圆形的堵头。这个所谓的端部堵头形成并生长出单壁碳纳米管。
     在第二个化学过程中，在铂表面乙醇催化分解形成的其它的碳原子被占用了。它们沉积在堵头和铂表面之间的开口边缘上，且将堵头提得很高很高；管慢慢向上长。纳米管的原子结构完全是由种子的形状决定的。研究人员通过分析单壁碳纳米管的振动模型分析证实了这一结果，并且采用扫描隧道显微镜进行了测试。Empa更深入的研究表明，生产出了长达300纳米的单壁碳纳米管。
     由合适的前体分子生成了不同的纳米管
     研究人员也因此证实，它们可以明确地按指定方式生长，因而采用定制的分子种子长出长单壁碳纳米管结构。在该研究中长单壁碳纳米管的合成存在两种形式，它对应于目标和它们镜像。通过选取合适的前体分子，研究人员能够影响两种产生方式。这取决于从原始分子上如何获取蜂窝原子晶格-相对于CNT轴是直的或是倾斜的，它有可能是螺旋缠绕管，即右手或左手旋转，以及与非镜面对称生成。而正是这种结构，确定了材料的电子、热电或光学性质。原则上，研究人员据此可以生产特殊材料，通过选择前体分子确定自己的具体属性。
     更进一步措施，Roman Fasel和他的同事们希望更深入理解，单壁碳纳米管如何在表面上生长。已经在每平方厘米铂表面生长出远远超过亿计的碳纳米管，仅有一小部分种子发展成《成熟》的碳纳米管，问题是哪一过程对此负责，以及如何提高成品率。
     发表：Juan Ramon Sanchez-Valencia, 等。《手性单壁碳纳米管的控制合成》，自然 512, 61–64 (2014年8月7日)