纳米管结构合成机理研究取得重要进展学术资讯

来源：中国科学院

　近日，中国科学技术大学中科院材料力学行为与设计重点实验室倪勇教授、何陵辉教授研究团队与合肥微尺度物质科学国家实验室吴长征教授课题组合作，通过实验、理论与数值模拟，揭示了溶剂热法中纳米空心球链融合成纳米管的机理。相关研究成果以“Sphere-To-Tube Transition toward Nanotube Formation: A Universal Route by Inverse Plateau − Rayleigh Instability”为题发表在《ACS Nano》杂志上（DOI: 10.1021/acsnano.6b08248）。

　　无机纳米管由于其优异的力学、热学以及电学性能近年来得到了大量的研究，其合成技术也得到了巨大发展，其中高温反应占有重要地位。但是，高温反应合成纳米管需要克服较大能垒，在合成方法上具有许多限制。与此同时，由于较低的能量损耗以及较大产量，低温反应方法例如溶剂热法、模板法以及应变驱动薄膜卷曲形成纳米管等合成技术也在近年来得到了快速发展。尽管溶液合成方法已经大量用于合成纳米管，但是揭示合成过程中的物理化学本质仍然面临挑战。一般而言，溶剂热法合成纳米管过程经历两阶段过程，第一阶段是纳米尺度空心球的形成，第二阶段是空心球链聚集融合为纳米管。著名的普拉托-瑞利不稳定（Plateau–Rayleigh instability）现象揭示了表面张力作用下管状到球状结构的转变机制，而此处的球状到管状结构转变恰与之相反。面对挑战，研究团队系统研究了溶剂热法作用下各种磷氮（PN）空心球融合成纳米管以及多级次纳米管三维结构的演化过程，随后利用基于热力学的线性稳定性分析以及基于相场方法的非平衡热力学模拟，提出逆向普拉托-瑞利不稳定（inverse Plateau–Rayleigh instability）概念，揭示了微结构的曲率弹性能在与表面张力能竞争中占优时，可驱使纳米空心球融合为纳米管的机理。该研究综合实验、理论以及数值模拟等方法，首次阐释了溶剂热法中纳米空心球融合成纳米管以及有序的多级次纳米管三维结构的机理，为大规模合成复杂有序的三维纳米管结构提供了有效的理论指导。

　　工程科学学院博士研究生马龙与化学与材料科学学院博士研究生彭晶是该论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、中科院先导专项、苏州纳米科技协同创新中心、国家青年拔尖人才支持计划以及国家重点基础研究发展计划等经费的支持。

　　论文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b08248