本報訊 單壁碳納米管（SWCNT）的發現被認為是納米科技的里程碑之一。目前，SWCNT主要可由電弧放電、激光蒸發和化學氣相沉積（CVD）等方法制備。由于對其生長機理缺乏全面深入的認識，故而尚未找到對SWCNT精細結構調控的有效手段，所有方法制備得到的樣品均為不同直徑、長度和導電屬性SWCNT的混合物。
自2009年起，在科技部、國家自然科學基金委和中科院的大力支持下，中國科學院金屬研究所在SiOx非金屬催化劑生長單壁碳納米管研究中取得了一系列進展，相關成果發表在《美國化學會志》和《ACS納米》等刊物上。
SWCNT的制備通常需要鐵族金屬作為催化劑?？蒲腥藛T發現，除鐵族金屬外，其他一些金屬在適當條件下也能生長SWCNT。然而，由于很難完全去除，這些金屬催化劑的殘存會影響SWCNT的本征性質（如電學、磁學、熱學性質和化學反應性、生物毒性等），并為其在納電子器件和生物醫學等領域的實際應用帶來障礙。
2009年，中科院金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室先進炭材料研究部和溫州大學的科技人員幾乎同時獨立發明了一種簡單高效的非金屬催化劑生長高質量SWCNT的新方法。研究人員首先采用離子濺射，在硅襯底上沉積30納米厚的二氧化硅層，經過氫氣高溫處理，形成大量平均粒徑為1.9納米的SiOx顆粒。然后以甲烷為碳源，經過900℃的CVD生長，在襯底表面制備出高密度、高質量的SWCNT網絡。
同時，科研人員還提出了一種簡單的“表面刻劃法”來實現SWCNT的無金屬催化劑圖案化生長。采用CVD即可在硅襯底的劃痕處生長出SWCNT，而無劃痕處則無SWCNT生成。如果以更小的“針尖”（如原子力顯微鏡的探針）去刻劃表面，則該方法的精度可得到極大的提高。
在此基礎上，研究人員進一步分析了SiOx催化劑生長SWCNT的特點并探索了SWCNT的控制生長。他們發現，SiOx生長SWCNT的速度極慢，只有相同條件下鈷催化劑的1/300?；谶@一特點，通過簡單地控制反應時間，實現了較短SWCNT的長度可控制備，可選擇性地生長平均長度只有149納米的短SWCNT。
最近，研究人員結合CVD生長、原位透射電鏡觀察和DFT計算，對SiOx催化劑的狀態和SWCNT的生長機理進行了深入研究。研究發現，SiOx催化劑在SWCNT生長的整個過程中保持非晶固態，反應遵循新的氣—固—固生長機理，而非傳統的氣—液—固機理；相同大小的硅顆粒不能生長SWCNT，表明催化劑的化學成分對生長SWCNT具有很重要的影響；SiOx中的氧能夠促進催化劑對甲烷的吸附能力，有利于SWCNT的生長。（周峰 梁爽）
