实现90％选择性的特定类型的碳纳米管（CNT）的创建，并扩展该合成理论。
图1、（a）碳纳米管（CNTs）可以看作是卷成圆柱体的单原子层厚的石墨烯片。不同的轧制方向决定了CNT的性能。
（b）显示化学气相沉积合成过程中碳纳米管寿命的示意图。过渡金属（蓝色结构）用作催化剂，对延长CNT（左）至关重要，直到催化剂表面上的碳浓度变得如此丰富，以致纳米颗粒被石墨或无定形碳包封，并在碳纳米管末端形成“帽”。圆柱体并结束CNT的生长（右）。
（c）在生长期间的不同时间拍摄的CNT的环境透射电子显微镜图像。CNT的顶端包含钴纳米颗粒，这是尖端生长的典型特征。
碳纳米管是由碳制成的坚固而轻巧的纳米材料，具有出色的载流能力和非常高的导热性，是电子应用的理想选择。尽管碳纳米管被认为是未来最有趣的材料，但科学家仍在为它们的可控合成而努力。
可以将CNT的形状与纸管进行比较-就像可以通过滚动一张纸来创建圆柱体一样，因此可以将CNT想象成在其自身上卷起的单层石墨。可以通过在纸张的长边，短边或对角线处倾斜滚动纸张来生产不同形状的管。取决于轧制方向，石墨层可以产生不同的CNT结构，有些是导电的，而另一些是半导体的。因此，选择性创建特定类型的CNT对于将来的应用（例如节能计算机芯片）将是关键。但是，碳纳米管不是通过轧制生产的，而是逐纳米增长的，并在纳米圆柱体的边缘添加碳，一次添加一个原子。
碳纳米管制造方法之一是化学气相沉积（CVD）。在此过程中，金属纳米粒子与含碳气体结合在高温炉内形成CNT。在管的尖端，金属纳米颗粒起着催化剂的关键作用：它们将碳源从气体中解离，并协助将这些碳原子附着到CNT壁上，从而使管变长。一旦催化剂颗粒被石墨或无定形碳包封，CNT的生长终止。
碳原子被插入到生长的CNT和边缘活性位置中的催化剂纳米颗粒之间的界面上，并且可用于结合新的原子。先前的CNT生长速率模型显示，后者与CNT和催化剂之间界面上这些活性位点的密度或CNT的特定结构成比例。
图2、在（a）存在和（b）不存在足够蚀刻剂的情况下碳纳米管（CNT）生长的模型。在（a）中，大多数解离的碳原子被蚀刻剂从催化剂表面带走，并且CNT的生长将取决于活性位点（红色三角形）的数量或CNT的结构。在（b）中，在没有蚀刻剂的情况下，每个分解的碳原子都必须是CNT的一部分，因此，活性位点的数量或CNT的结构对生长速率没有影响，但是会影响碳纳米管生长的持续时间
在这项研究中，研究人员在700摄氏度下用一氧化碳（CO）作为碳原料和钴纳米颗粒作为催化剂，监测了在氧化镁（MgO）载体上CNT的稳定生长。对16种CNT的直接实验测量表明如何扩展以前的理论。该论文的第一作者青岛科技大学 化学与分子工程学院何茂帅教授说：“令人惊讶的是，碳纳米管的生长速度仅取决于催化剂颗粒的大小。这意味着我们以前对碳纳米管生长的理解还不完整。
更具体地，沉积在催化剂颗粒表面上的碳原子可以被结合在CNT的活性侧上，或者可以被诸如H 2，H 2 O，O 2或CO 2的蚀刻剂去除。为了解释新的实验观察结果，该团队研究了碳纳米管生长过程中碳的插入和去除的影响，并发现生长速率取决于催化剂的表面积和管径比。
“与以前的模型相比，我们增加了三个因素：前体沉积速率，蚀刻剂去除碳的速率以及碳插入碳纳米管壁的速率。当原料的离解无法通过碳蚀刻来平衡时，碳纳米管的增长速度将不再取决于碳纳米管的结构。另一方面，如果蚀刻占主导地位，则先前的理论仍然有效。”多维碳材料中心负责人解释。
新的CNT生长理论提出了一种新的机制，可以选择性地生长特定类型的CNT，表示为（2n，n）CNT，其特征是在CNT与催化剂之间的界面处有最大的活性位点。该CNT结构将对应于以大约19度的角对角地滚动石墨片。
该研究共同作者，北京大学张锦教授说：“如果没有碳蚀刻，并且碳纳米管的生长缓慢，则催化剂表面上的碳原子就会堆积。” “这可能导致形成石墨或无定形碳，这是碳纳米管生长终止的既定机制。在这种情况下，只有能够在壁上添加碳原子的碳纳米管，即具有最高活性的碳原子网站-可以生存。”
在新的理论理解的指导下，研究人员能够设计出产生选择性高达90％的（2n，n）CNT的实验：在不使用任何蚀刻剂的情况下实现了此类CNT的最高选择性生长。
文献
Growth kinetics of single-walled carbon nanotubes with a (2n, n) chirality selection
DOI: 10.1126/sciadv.aav9668
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