碳纳米管(CNT)中sp2碳碳键杂化结构使其拥有令人惊异的机械性能.理论上,无缺陷CNT的杨氏模量可达到1 TPa,拉伸强度超过100 GPa,是钢铁的100倍.实际上,CNT由于不可避免地存在结构缺陷,其机械性能很难达到上述预期.因此,为了获得优异的机械性能,一般尽量避免在CNT中引入缺陷; 但结构缺陷的存在并非总起负面作用,如能对缺陷进行操控(即所谓的“缺陷工程”),将结构缺陷可控地引入再消除,则可以巧妙地实现对CNT机械性能的可逆调控.
一根未经处理的双壁CNT先经过电子辐照引入缺陷,再利用通电加热退火将缺陷消除,并重新获得完好的CNT晶体结构.
图1 CNT缺陷调控示意图及相关透射电镜照片[2]
王鸣生等[1]此前利用原位透射电镜技术首次实现了单根单壁CNT拉伸强度的定量测试,并成功将CNT的拉伸强度和原子级的结构缺陷直接对应起来.该项工作在CNT力学测量及相关纳米器件领域具有较广泛的影响,是CNT力学性能实验研究方面的重要进展.在此基础上,王鸣生课题组[2]近期利用原位透射电镜技术,通过控制电子束辐照强度和时间,将缺陷可控地引入到单根多壁CNT中,再施以原位通电退火消除这些缺陷,使CNT重新获得完好的结晶度,这种可逆缺陷处理技术在原子尺度上可以归结为碳原子空位和间隙原子的产生与复合(如图1所示).原位力学性能测试表明,CNT的杨氏模量、拉伸度、谐振器共振频率及品质因子也获得了相应的可逆调控,并具有极高的调控精度.其中,CNT谐振器共振频率的调控精度可达0.1%,与现有的方法相比提高了1个数量级.这项工作以“Reversible tuning of individual carbon nanotube mechanical properties via defect engineering”为题发表在《Nano Letters》上.该项研究成果不仅实现了对CNT机械性能的调控,也为CNT基复合材料及器件,以及其他sp2碳纳米材料(如石墨烯等)各项物理、化学性能的调控提供了新的研究思路.
![图1 CNT缺陷调控示意图及相关透射电镜照片[2]](2017年04期/pic01.jpg)
