日本名古屋大学开发出单壁碳纳米管提纯新方案

导读

背景

上世纪九十年代初，碳纳米管就开始出现，并一度被誉为“神奇材料”，应用于纳米技术领域。

碳纳米管是一维纳米材料。从形状上说，它主要是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多卓越的力学、电学和化学性能。目前，单个碳纳米管比钢铁和碳纤维强度还要大，导电性比铜更好，重量比铝更轻。

因此，时下碳纳米管正在电子世界掀起一股研究热潮，也很适合下一代电子设备，特别是柔性电子器件，例如柔性的晶体管、传感器、触摸屏、OLED等。

创新

近日，日本名古屋大学研究人员开发出一种更便宜的新方案，它能够简单高效地区分两种碳纳米管。这项工艺可用于量产纯净的单壁碳纳米管（SWCNT），这种碳纳米管可用于高性能电子器件。研究成果发表在《应用物理快报（Applied Physics Express）》期刊上。

技术

单壁碳纳米管具有卓越的电子和机械特性，因此可作为一种理想的材料，广泛应用于一系列电子器件，其中包括LCD显示器中的薄膜晶体管。但问题是，生产出的单壁碳纳米管只有三分之二适用于电子器件。有用的半导体单壁碳纳米管必须与无用的金属单壁碳纳米管分离开来。但是，目前最强大的净化工艺，称为“双水相萃取”，需要使用一种昂贵的多醣，称为“右旋糖酐”。

名古屋大学的有机化学家 Haruka Omachi 及其同事假设，右旋糖酐在分离半导体单壁碳纳米管和金属单壁碳纳米管方面的效力，归功于连接其葡萄糖基的化学键。该团队尝试使用一种价格显著降低、这些化学键却明显更多的异麦芽右旋糖酐，取代右旋糖酐来分开这两种碳纳米管。

一批单壁碳纳米管在含有聚乙二醇和异麦芽右旋糖酐的溶液中静置15分钟，然后离心5分钟。科学家们尝试了三种不同的异麦芽右旋糖酐，每一种都具有不同数量的化学键以及不同的分子质量。团队发现，金属单壁碳纳米管被分离至溶液底部的异麦芽右旋糖酐中，而半导体单壁碳纳米管漂浮到顶部的聚乙二醇中。

价值

具有高相对分子质量和最多化学键的异麦芽右旋糖酐，分离两种单壁碳纳米管时是最高效的（99%）。团队也发现，另一种多醣，称为“普鲁兰多糖”，其葡萄糖基通过不同种的化学键连接，在分离两种单壁碳纳米管方面是不奏效的。研究人员表示，异麦芽右旋糖酐中化学键的数量和种类在有效分离碳纳米管的能力方面扮演着重要角色。

团队还发现，净化后的半导体单壁碳纳米管制造的薄膜晶体管性能非常好。

异麦芽右旋糖酐是一种廉价且广泛应用的多糖，它由作为食用纤维使用的淀粉制成。这使之成为单壁碳纳米管提取工艺的一种划算的替代方案。Omachi 及其同事目前正与一些公司商讨，让他们的方案走向商业化。他们也在致力改善柔性显示器与传感器中采用单壁碳纳米管的薄膜晶体管的性能。

关键字

参考资料

【1】Haruka Omachi, Tomohiko Komuro, Kaisei Matsumoto, Minako Nakajima, Hikaru Watanabe, Jun Hirotani, Yutaka Ohno, Hisanori Shinohara. Aqueous two-phase extraction of semiconducting single-wall carbon nanotubes with isomaltodextrin and thin-film transistor applications . Applied Physics Express, 201912 (9): 097003 DOI: 10.7567/1882-0786/ab369e

【2】http://en.nagoya-u.ac.jp/research/activities/news/2019/10/dietary-fibre-effectively-purifies-carbon-nanotubes.html