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来源：ACS美国化学会
英文原题：How Single-Walled Carbon Nanotubes are Transformed into Multiwalled Carbon Nanotubes during Heat Treatment
通讯作者：丁峰，Centre for Multidimensional Carbon Materials, Institute for Basic Science, Korea
作者：Byungcheon Yoo, Ziwei Xu, Feng Ding
碳纳米管自上世纪90年代被发现以来凭借其优异的物理性能在众多领域中展现出了广阔的应用前景。由于碳纳米管结构的多样性（如不同的螺旋角、管壁厚度、直径等)，对其结构进行控制从而实现特定的物理性能是碳纳米管制备的一个重要课题。其中，热处理是对碳纳米管结构进行后处理的常用方法之一。在热处理中，早期的实验发现单壁碳纳米管束在高温下会聚合成多壁碳纳米管。韩国基础科学研究所多维碳材料研究中心丁峰教授课题组最近通过高温实验，发现单壁碳纳米管束加热到2500℃以上后，这些单壁碳纳米管会聚合成管壁数目为奇数的多壁碳纳米管（图1）。课题组进一步提出了一个中心模板聚合模型，并通过理论模拟成功解释了实验中的奇偶效应。如图1 (a)所示, 实验统计表明，这些热聚合而成的多壁碳纳米管中，仅有1个双壁和2个四壁的偶数壁碳纳米管，其余22个聚合而成的多壁碳纳米管的管壁数目皆为三、五等奇数。
图1. (a) 2700℃ 热处理后不同管壁数目的多壁碳纳米管统计。(b) 双壁，(c) 三壁，(d) 四壁和 (e) 五壁碳纳米管的TEM 图像。
传统的单壁碳纳米管的聚合机制只会导致更大直径的单壁碳纳米管，而不会形成多壁碳纳米管，更不会形成奇数壁碳纳米管。2002年，López M. J. 等人提出单壁碳纳米管中心模板聚合模型来解释三壁碳纳米管的形成机制。基于这一理论，如图2(a-b)所示，单壁碳纳米管束在高温下首先会在内部中心区域聚合成一个大的单壁碳纳米管，然后围绕着这一中心碳纳米管的其它碳纳米管开始同步聚合。受中心碳纳米管的模板作用以及碳纳米管内外曲率的差异，这一同步聚合过程会产生两层新的碳纳米管，加上位于中心的模板单壁碳纳米管，形成了一个三壁碳纳米管。同理，如图2(c)所示，如果以上面的三壁碳纳米管为中心模板，周围碳纳米管同步聚合，就会形成五壁碳纳米管。
图2. (a, d)三壁碳纳米管形成机制及TEM图像；(b, e)不同直径的中心碳纳米管聚合机制及TEM图；(c)五壁碳纳米管形成机制。
作者利用自己课题组开发的蒙特卡罗方法对单壁碳纳米管逐步聚合以及围绕中心碳纳米管模板同步聚合展开了原子尺度的模拟(图3)，其结果证明了以上聚合模型的正确性。该研究为制备层数可控的多壁碳纳米管提供了理论思路。
图3.能量驱动蒙特卡罗法模拟不同类型碳纳米管聚合：(a) (6,6)+(6,6)；(b) (6,6)+(12,12);(c) 围绕(12,12)中心碳管的9个(6,6)碳纳米管同步聚合形成三壁碳纳米管。
原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyMjgzMzI0Ng==&mid=2247512834&idx=1&sn=99a034f9a8410bebd99ca6315d738b24
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