浙大团队攻克30年难题，实现二硫化物纳米管手性可控合成

身为纳米材料界的“PRO MAX”版本的一维过渡金属二硫化物纳米管, 因1D量子限域效应表现出独特量子现象, 还因范霍夫奇点呈现特异量子情形, 进而展现出超越传统碳纳米管的力学性质、光学性质以及电子学性质, 其带隙所覆盖的范围更为宽广, 非线性光学效应更具强度, 而且能够承载谷电子学等全新出现的物理效应, 在光电器件领域、量子信息范畴以及高端催化方面拥有极其开阔、广阔无垠的运用前景。但是, 从1992年首次被发现开始, 困扰学界长达三十多年的核心难题, 也就是手性可控合成, 一直都没有能够获得根本性的突破。

回首往昔岁月之中的历史, 诞生于1991年的碳纳米管那时引发了材料领域的极大轰动。它神奇的地方在于, 其物理性质是完全由分子卷曲的方式所决定的: 同样是一种材料, 由于构型存在差异, 有的展现出金属导电性, 有的却呈现出半导体特质。虽然碳纳米管早就被写进了教科书里, 然而它走向产业化的道路却被一道叫“手性控制”的闸门牢牢困住。早期合成过程里的碳纳米管卷曲角度全然随机, 倘若“开盲盒”一般, 产物之中常常会混入致使器件短路的金属型碳管, 如此难题阻碍了它大规模应用长达三十多年之久。

事出有因, TMDC纳米管碰到了一样的境遇, 并且挑战更为艰难。TMDC有着三明治样式的多层原子结构, 晶格刚性更具备强度, 更难以产生卷曲变形, 生长原理远比碳纳米管繁杂。所以, 在三十多年的时长里, 该领域的探究几乎停留在“能成功合成就当作进展”的初始时期, 手性控制的缺乏让TMDC纳米管的应用探寻遥遥无期。

出现转机的地方是浙江大学机械工程学院原子级材料制造实验室, 近日, 是项荣教授团队联合大连理工大学、西湖大学、北京大学以及日本大阪大学、东京大学等多家国内外顶尖机构, 并且首次实现了TMDC纳米管的手性可控合成这一情况, 还获取到了选择性的高纯度扶手椅型纳米管, 从而一下子攻克了在该领域横亘三十余年的核心挑战, 这一突破性成果已经得到了国际顶级期刊《科学》的接收, 并且在北京时间7月17日凌晨在线优先发布了。

有一项突破, 它源自一次敏锐的科学观察, 团队里的博士后Abid在检查电子衍射数据的时候, 发现新合成的TMDC于电镜下呈现出高度一致的衍射斑点, 项荣教授很敏锐地意识到这背后藏着特殊机理, 接着带领团队展开深入研究, 他们发现, 借助氮化硼纳米管当作模具, 引领TMDC在其空心通道之中生长, 能够达成特定手性构型的选择性合成。比如二硫化锡, 用该方法合成的那种被冠名“扶手椅型”的TMDC纳米管, 其占比最高竟然能够达到84%, 而二硫化钼以及二硫化钨, 同样也展现出显著的扶手椅型偏好。

为印证得出这一结论的可靠性程度, 团队开展了高强度的实验予以验证。“我们以72小时不间断连续运转, 三人采用接力方式, 做到人休息但机器不停止, 一口气采集了300组相关数据。”“百人计划”之中的研究员郑永嘉回忆着说道。这300组数据和之前50组所得到的结论完全保持一致, 最终成功说服了负责审稿的人员接受这个表面上看似不太可能出现的结论。凭借热力学以及动力学方面的分析, 团队证实了TMDC会优先于氮化硼纳米管的内壁生长出一条呈现锯齿形状的纳米带, 随后卷曲成为纳米管。研究人员借助原位透射电子显微镜, 实时拍摄到了纳米带卷构成纳米管的整个过程, 达成了从理论模拟至仪器观测的闭环验证。

呈扶手椅形状的TMDC纳米管有着更为低的电子有效质量, 以及更高的载流子迁移率, 它从本质上而言适宜用来制造纳米级别的晶体管以及高速度的电子器件。从观测到异常现象开始, 一直到完整地阐述并明晰内在机理而且在刊物上发表, 项荣教授所带领的团队花费了整整四年的时间。项荣教授宣称, 尽管特殊现象的发觉存有偶然的运气成分, 然而完成机理的阐释以及实验的验证, 其核心是受益于浙江大学具备高水平的实验平台所提供的强力支援。

这些年, 浙江大学机械工程学院在专注高端装备主要赛道之际, 不断朝着原子级制造领域深入布局, 打造出了处于世界一流水准的原子级制造实验平台。这样具备高水平的科研环境, 使得包含Abid在内的来自全球的优秀青年学者前来加入。有着不同文化背景的科研工作者汇聚在一起, 激发出了令人意想不到的灵感火花, 不但推动了科研创新, 还为中国学生构建起了开阔的国际化学术视野, 为中国材料科学的未来注入了强大动力。

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