碳纳米管可“记住”初始结构，同位素标记揭示动态生长过程

9月1日发布的一项研究显示，碳纳米管在动态变化的生长环境中能够保持其初始原子结构。研究团队利用数字同位素标记技术，将单根碳纳米管的伸长过程编码为不同碳同位素组成的序列，并通过拉曼光谱读取其生长历史，从而追踪纳米管在温度变化和催化剂演化条件下的结构稳定性。

碳纳米管的性质高度依赖其原子排列方式。同一种材料可能因结构差异表现出金属性或半导体特性，因此结构均匀性一直是碳纳米管走向规模化应用的关键问题。在浮动催化剂化学气相沉积法等工业化生产路线中，催化剂颗粒会在反应器内经历不断变化的温度和气体组成，并可能发生不可逆增大。此前，单根碳纳米管在这种复杂环境下能否保持初始结构仍缺乏直接证据。

在本研究中，团队采用含不同碳同位素比例的乙醇脉冲对生长中的碳纳米管进行“数字标记”，以30秒时间分辨率重建单根纳米管的伸长过程。结果显示，当炉温从800℃升至873℃后再降低时，纳米管在相同温度下的生长速率可达到升温前的约两倍。这一滞后现象表明，催化剂在高温过程中发生了不可逆粗化。

不过，生长速率的变化并未导致多数纳米管结构改变。研究显示，即使碳纳米管长度超过其直径的10万倍，仍能保持原子级一致的晶格结构。在分析的158根碳纳米管中，有139根在测量长度范围内保持手性不变，占比约88%。研究还结合动力学蒙特卡罗模拟和分子动力学模拟，进一步支持催化剂粗化会改变生长速率，但不会必然改变已经形成的纳米管直径和手性。

研究人员认为，这说明碳纳米管的结构主要在成核阶段确定，并在后续延伸阶段表现出较强“结构记忆”;相比之下，生长速率仍会对温度、催化剂状态等环境因素保持敏感。这种结构决定与生长动力学之间的分离，为碳纳米管合成提供了新的设计思路：可在成核阶段重点优化结构控制，在延伸阶段重点提高产量，从而缓解长期存在的质量与数量之间的权衡问题。