研究人员发现将纳米管与金属结合的方法

碳纳米管在从微电子到航空再到能源存储的各个领域都展现出了广阔的前景。研究人员认为，这种材料有一天可能会实现建造通往太空的电梯的科幻梦想。

那么为什么它们没有被更频繁地使用呢?

辛辛那提大学化学家诺伊·阿尔瓦雷斯(NoeAlvarez)表示，令人沮丧的一个障碍是无法将碳纳米管与金属表面牢固连接起来，用于传感器、晶体管和其他用途。这些空心管的直径仅为十亿分之一米，但长度可达数厘米。

“我们希望我们的实验具有可重复性和一致性，但这对于纳米管来说并不容易实现，因为我们无法控制它们与金属表面的连接程度，”他说。

但他和他的合作者展示了一种新的化学工艺，可以将纳米管接枝到金属表面，从而形成坚固、一致的导电连接。该研究发表在《纳米尺度进展》杂志上。

在过去的迭代中，碳纳米管分散在溶液中，形成阿尔瓦雷斯所说的粘在金属表面的“湿意大利面条”。

“但是没有牢固的连接。没有任何东西真正将纳米管固定在表面，”他说。

因此，电导率等特性的测量不精确且不一致。

阿尔瓦雷斯和他在德克萨斯农工大学的研究伙伴，在化学工程教授JorgeSeminario的带领下，演示了将纳米管化学键合到铜、铝、金和其他金属表面的方法。

阿尔瓦雷斯和他的合作者从美国国家科学基金会获得了72万美元的资助，用于在未来三年内详细阐述他们的化学发现。

加州大学博士生兼研究主要作者ChamindaNawarathne表示：“尽管碳纳米管具有如此巨大的潜力，但为什么我们看不到它们广泛的商业应用?我们还有很多事情需要弄清楚。”

阿尔瓦雷斯和他的合著者通过计算发现，有机连接中的碳原子实际上与两个铜原子键合，形成了特别牢固的键。

“这解释了为什么我们的纳米管一旦化学连接就会保持连接，”阿尔瓦雷斯说。

碳纳米管是众所周知的强分子。它们的分子结构创造了优雅的六角形晶格。“碳键是最强的键。它们是共价键。这就是为什么金刚石是最硬的材料，因为它们是碳-碳键，”阿尔瓦雷斯说。

钻石中的碳原子是单键，而碳纳米管具有共轭双键原子，使其比钻石更坚固。

阿尔瓦雷斯说，人们设想用坚固但轻质的碳纳米管制成的电缆来制造“太空电梯”，将设备运送到轨道上。布拉德·皮特的电影《星际探索》的开场场景中描绘了一架太空电梯。

但力量只是他们独特的属性之一。

碳纳米管用于制造地球上最黑的合成材料。阿尔瓦雷斯表示，它们与金属的牢固结合可以带来更好的油漆和涂料。

“纳米管相当惰性。它们非常稳定。你可以在不破坏它们的键的情况下将它们共轭。半导体纳米管还具有荧光特性——它们可以产生光，”阿尔瓦雷斯说。“所以申请的清单一直在不断地增加。”

Nawarathne表示，他正在寻求能源存储方面的潜在应用。

“现在我们可以将碳纳米管粘合到集电器或金属探针上，我们可以为超级电容器制造非常稳定的电极，”纳瓦拉特尼说。

加州大学化学系的学生使用一种称为催化化学气相沉积的工艺在硅盘上“生长”纳米管，该工艺将试剂和铁催化剂加热到1,450°F。

“它很红，”阿尔瓦雷斯指着烤箱大小的机器中透过玻璃窗看到的一个物体说道。“那就像一个烤盘。催化剂就在这儿。”

45分钟后，硅上会出现一层薄薄的碳纳米管。从那里，研究人员能够将纳米管电接枝到各种金属表面上。最初，他们使用纳米管束，但通过改进工艺，他们了解到它们可以连接垂直排列的纳米管。

“这就像试图将羊毛连接到绵羊身上。你有从绵羊身上剪下来的纱线。我们能够通过化学方法将单个纤维连接到绵羊身上，”他说。