Small Methods:烟辅助的碳纳米管快速光学可视化

研究背景

纳米材料的便捷可视化与可控操纵是对其开展基础物性研究和器件制备的关键,尤其是对于碳纳米管这种直径仅有数纳米的纳米材料而言,快速的观测、定位与表征非常重要。扫描电子显微镜和透射电子显微镜是对碳纳米管进行表征的有力工具,它们具备诸多优势,但同时存在许多限制如需要高真空环境、多数情况下难以对样品进行操纵等。与非悬空碳纳米管相比,悬空碳纳米管由于缺乏与基底的成像对比,使其在电子显微镜中的观测更加困难。不仅如此,诸如碳纳米管的拉曼光谱测量和纳米器件制备等很多表征则需要在大气环境下进行,由于碳纳米管的纳米级直径已经超出了光学显微镜的分辨率极限,使得它们无法在光学显微镜下被观测到,这就为碳纳米管在光学显微镜下的表征带来很多困难。因此,开发单根碳纳米管的光学可视化技术对于顺利开展碳纳米管在光学环境下的表征具有重要的意义。

为实现碳纳米管的光学可视化,研究者开展了很多尝试,也发展出不少有效的方法。目前已报道的方法可分为两类:一种方法是利用纳米颗粒或纳米液滴对碳纳米管进行修饰,利用这些纳米颗粒或液滴的散射效应辅助实现单根碳纳米管的光学可视化;另一种方法是直接开发具有超高分辨率的高端光学显微镜并结合专门设备对碳纳米管进行直接成像。然而,上述两类方法都存在一些限制和不足之处,如操作过程危险、颗粒难以去除等。因此,开发一种简便、快捷、安全碳纳米管的光学可视化方法具有重要的意义。

文章概述

近日,清华大学张如范课题组提出了一种非常巧妙的思路,利用物质燃烧产生的烟中的焦油液滴,实现了单根碳纳米管的快速、简便和安全的可视化效果。

图文导读

以香烟为例,当香烟烟气接触到悬空碳纳米管时,其中包含的大量焦油液滴在碳纳米管上快速沉积,形成如珍珠项链一般漂亮的串珠状结构。随接触时间延长,液滴快速长大,当其直径增大至与可见光波长相当时,由于它们对可见光产生较强的米氏散射效应,从而可以在光学显微镜下清楚成像,从而实现了碳纳米管的快速定位。并且上述过程非常便于进行原位操纵,从而可以实现单根碳纳米管的原位和快速光学可视化。

图1. 光学可视化操作流程及可视化效果

该过程简捷快速,只需几秒钟即可完成,且原料来源广泛,纸张、木材、檀香、香烟等任何可以燃烧生烟的物质都可用于上述过程。只需使其烟雾与碳纳米管接触即可实现可视化,对环境条件(如温度、湿度等)无任何严格要求,使该方法不受环境及原料限制,大大简化了纳米材料的光学可视化这一问题,为纳米材料的快速定位与后续应用提供便利。另外,在环境条件下,焦油液滴可以长期稳定存在,并且,通过激光辐照,焦油液滴可根据实际需要在不损坏碳纳米管的情况下进行局部或全部去除以及再沉积,使其应用范围得到进一步扩展。

图2. 不同来源的烟气可视化效果(a-d中的燃烧物质分别是纸张、檀香、树枝和香烟)

图3. 焦油液滴的激光辅助去除

利用该方法,可以轻松实现碳纳米管的拉伸、转移、力学性能测试等操纵。另外,该方法同样适用于二维悬空碳纳米管网络。利用该可视化方法可以观察到其独特的蜘蛛网状结构,且可以利用该网络承载微小颗粒(如NaCl、FeCp2等),有望将其用于微小质量传感器等。

图4. 可视化方法拓展及应用

该工作获得国家自然科学基金(51872156, 22075163),国家重点研发计划(2020YFC2201103, 2020YFA0210702)的资助,谨此感谢。

通讯作者简介

张如范 副教授 研究员 博导

清华大学化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员、中国化工学会专业会员、北京能源与环境学会京津冀专家委员会委员、SusMat青年编委。2005-2009年本科就读于中国石油大学(北京)化工学院,2009-2014年博士就读于清华大学化工系,2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究,2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究,取得多项突破性科研成果。在ScienceNature NanotechnologyNature CommunicationsChemical Society ReviewsAccounts of Chemical ResearchAdvanced MaterialsNano LettersACS Nano等期刊发表论文75篇。申请发明专利12项;撰写学术专著7部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖(2019)、中国化学会青年化学奖(2018)、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”(2018)、中国新锐科技人物(2018)、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖(2020)、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者(2019)、教育部自然科学一等奖(2016)、瑞士乔诺法(Chorafas)青年研究奖(2015)、教育部博士研究生学术新人奖(2012)等奖励。

课题组网站链接:

http://www.rufanzhang-group.cn

论文信息:

Fast In-Situ Optical Visualization of Carbon Nanotubes Assisted by Smoke

Run Li, Qinyuan Jiang, Fei Wang, Xiaofei Shi, Fengxiang Chen, Ya Huang, Baoshun Wang, Wenshuo Zhang, Xueke Wu, Fei Wei, Rufan Zhang*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101333

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202101333