单一手性碳纳米管镜像体的多种类高效宏量制备及性质研究

The fundamental and applied researches of carbon nanotubes enantiomers are still in the bottleneck stage to date, which originates the great difficulty in the macroscopic preparation of multi-species single-chirality carbon nanotubes enantiomers. At this moment, enantioselective synthesis has not been successful. Enantiomer separation is the only way to obtain single-chirality enantiomers of carbon nanotubes. Compared with well-studied metallic/semiconducting and single-chirality separation, single-chirality enantiomer separation requires more precise techniques to achieve chirality and handedness selectivity. In this project, we will explore and establish the new, simple, high-yield techniques that suitable for macroscopic separation of multi-species single-chirality carbon nanotubes enantiomers based on the practical microscopic separation experiences of carbon nanotubes enantiomers with gel chromatography. After realizing macroscopic separation of multi-species single-chirality carbon nanotubes enantiomers, we will develop the evaluation method of enantiomeric purity for different kinds of single-chirality enantiomer. Finally, we will study the intrinsic circular dichroism properties of pure single-chirality carbon nanotubes enantiomers.

目前关于碳纳米管镜像体的基础性质以及应用研究依然处于瓶颈阶段，其根本原因在于高难度的样品制备，尤其是不同种类单一手性镜像体的宏量制备。目前的碳纳米管生长技术还无法实现镜像体的选择性生长，因此生长后处理技术，即镜像体分离，是获取单一手性镜像体的唯一途径。对比过往被广泛研究的金属/半导体分离和单一手性分离，单一手性镜像体分离要求更精密的结构分离技术以同时实现对碳纳米管的手性和螺旋性的双重选择。本申请项目拟以申请人过往基于凝胶色谱法微量分离碳纳米管镜像体的工艺为基础，探索并建立适用于多种类单一手性镜像体的新的简单高效的宏量分离技术；宏量制备多种类单一手性碳纳米管镜像体；创建适用于不同种类单一手性镜像体的绝对纯度评价方法；研究单一手性镜像体本征的圆二色性质。

单壁碳纳米管的卓越性能与其结构在原子尺度的排列方式密切相关。不同手性、不同螺旋方向的碳纳米管具有各自独特的光电性质和应用。因此，如何从原子尺度精准调控碳纳米管的原子结构，制备具有单一结构均一性质的碳纳米管材料，实现其性质与功能的人工设计与调控，一直是碳材料领域研究的热点问题，对于碳基电子技术和产业的发展意义深远。本项目旨在基于凝胶色谱分离技术开展碳纳米管结构分离，特别是单一手性碳纳米管镜像体分离的相关研究，以及结构分离后碳纳米管材料的基础物性和应用探索研究。在本项目四年的支持下，本项目研究团队围绕项目研究目标开展研究工作，在发展新型调控技术改进分离纯度和效率等方面取得了突破性进展，进而实现了多种类高纯度单一手性碳纳米管及其镜像体的宏量分离制备。其中7种单一手性碳纳米管的分离产量达到了次毫克量级，单一手性（6,5）碳纳米管的镜像体纯度达到98%。在碳纳米管结构分离的基础上，利用分离后的碳纳米管材料开展了一系列碳纳米管的光电性质和功能应用方面的研究工作，包括光子再吸收效应修正的碳纳米管荧光量子效率、结构依存的带内跃迁等离激元、以及光电级联器件和近红外电致变色器件的研制等。这些重要进展和研究成果将推动碳基光电子技术和产业的进一步发展。.在本项目的支持下，在Sci. Adv.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Nano Lett.等重要学术期刊上已发表项目标注SCI论文10篇，其中影响因子大于10的论文7篇；申请并授权国家发明专利3项；参与完成《国家标准》编制1项。通过本项目的实施，已培养毕业博士研究生3名、硕士研究生3名，出站博士后1名，获得“中科院物理所优秀博士后奖”、“北京市优秀毕业生”、“中国科学院大学三好学生”、和“中科院物理所所长表彰奖”各一人次。此外，项目负责人入选中科院“青年创新促进会”。