【写作竞赛】来自洗涤剂的灵感——半导体性单壁碳纳米管纯化新方法

十二烷基硫酸钠(SDS)是我们生活中使用的洗衣粉、洗涤灵等日用品的主要成分,而单壁碳纳米管则是一种先进材料的代表。二者之间看似并无交集,可是,北京大学化学与分子工程学院的张锦教授的研究组近期的研究报道(Small 2013 doi: 10.1002/smll.201202940)让它们之间碰撞出了奇妙的火花。

单壁碳纳米管(SWNTs)可看作是由单层石墨烯片卷曲形成的一维纳米碳材料,有良好的力学、电学特性。具有半导体特性的单壁碳纳米管(s-SWNTs)阵列是下一代集成电路的核心材料。不过,通过现有方法制备的单壁碳纳米管大多含有金属性的单壁碳纳米管(m-SWNTs)。目前可以采用超高速离心、电泳、选择性破坏m-SWNTs及选择性生长s-SWNTs等获得半导体单壁碳纳米管。然而这些方法会引入杂质、破坏阵列结构,导致效率有限。因此,制取高纯的s-SWNTs阵列成为了一个重要而有挑战性的课题。

张锦教授等借鉴了洗衣服的过程,实现了半导体单壁碳纳米管的分离。当用洗涤剂洗衣服时,可以将衣服上的污渍洗掉,而一般不会使衣服掉色,这是因为洗涤剂中的表面活性剂与污染物的作用力大于污染物与衣物之间的附着力,而对于色素分子则反之。于是他们提出了采用表面活性剂纯化碳纳米管的方法:寻找一种表面活性剂,它与m-SWNTs作用力强,而与s-SWNTs作用力弱,这样,就可以像洗去污渍一样将金属性的单壁碳纳米管洗掉。而十二烷基硫酸钠(SDS)——这种洗涤剂中常用的活性成分就是这样一种神奇的表面活性剂。将单壁碳纳米管阵列随基板浸入SDS溶液中,SDS分子会优先吸附在m-SWNTs上。在超声设备的辅助下,SDS分子包裹着m-SWNTs从基板上洗脱,而留下与SDS不亲近的s-SWNTs。通过调控SDS浓度及超声强度,就可以将s-SWNTs所占比例从约69%提高到90%以上,并能够保持完整的阵列形态。在电学测试中,纯化产物也表现出了良好的半导体特性。

这种使用表面活性剂提纯s-SWNTs的方法简单易行且颇为有效,也容易扩大到工业规模,是碳纳米管纯化研究中一个重要的进展。将生活中常见的洗涤剂去污原理融入到碳纳米管提纯的研究中,跨界的结合产生了出人意料的成果,这种思维方法也值得我们借鉴。