少壁碳纳米管的内层操纵与层间摩擦特性研究

Few-walled carbon nanotubes (CNTs), composed of several layers of coaxial cylindrical graphene, between which there are only van der Waals force, are potential materials to possess superlubicity. However, due to experimental difficulties, the intershell friction of CNTs has never been accurately measured. Besides, the collection and manipulation of the inner shells of super-long CNTs, which have clean surfaces and perfect structures, will promote the applications of CNTs in high quality nanodevices. In this project, we proposed to measure the intershell friction of CNTs using super-long few-walled CNTs with perfect structures by combining nano-manipulators with cantilevers with different force constants. Aimed to reveal the nature of the intershell friction, We will systematically study the dependence of the intershell friction on the structures of the CNTs. Macroscopic superlubicity is expected to observed for the first time from the perfect super-long few-walled CNTs. Based on the above, inner shells of super-long few-walled CNTs will be drawn, characterized and manipulated. This project will shed light on the friction behaviors of nanoscale interfaces, and will also provide a brand new approach for the preparation of high quality CNTs.

少壁碳纳米管由同轴的几层石墨烯圆筒构成，其邻近管壁之间只存在范德华作用力，具有很低的界面摩擦，是一个潜在的超润滑体系，但是由于所需实验条件的苛刻，其层间摩擦力尚未被精确测量，层间摩擦特性也未被系统研究；此外，超长碳纳米管内层具有表面干净、结构完美的特点，若能被收集和独立操纵将对其高端器件的制备意义重大。本项目拟基于厘米级长度、结构完美的少壁碳纳米管，采用纳米机械手和双探针技术，实现对碳纳米管层间滑动摩擦力的测量，并系统研究其摩擦行为与结构的关系；利用超长少壁碳纳米管具有完美结构的优势，实现对宏观长度上超润滑现象的实验验证；并在此基础上对超长少壁碳纳米管内层进行抽取、表征和操纵。该项目的研究对深入认识纳米界面的摩擦特性具有重要意义，并将为高品质碳纳米管的制备开辟一条全新的途径。

超长碳纳米管具有很低的缺陷密度，能够体现出碳纳米管本征的优异性能，是电子器件、超强纤维等领域的尖端基础材料。大批量、可控地制备宏观长度结构完美的碳纳米管是实现超长碳纳米管的基础性质研究及大规模应用的前提。以此为基础，可以研究碳纳米管层间的摩擦特性并活的内层抽取的洁净碳纳米管。本项目中，我们通过深入研究碳纳米管的生长机理，提出制备高密度碳纳米管的关键是阻止催化剂颗粒在高温下的聚并行为的思路，并发展了“石墨烯辅助法”和“预沉积催化剂法”制备高密度超长碳纳米管阵列的技术。为了方便对单根碳纳米管的定位、表征，我们发展了在碳纳米管上气相沉积纳米颗粒实现碳纳米管光学可视化的方法。在此基础上，发展了宏观尺度、大气环境下单根碳纳米管的可控操纵技术，包括碳纳米管的切断、转移、组装复杂结构等。进而，以碳纳米管可控操纵为基础，首次发现了厘米级长度结构完美的碳纳米管层间的宏观尺度超润滑现象，并研究了碳纳米管弯曲曲率、长度、断开等对层间摩擦力的影响。在上述基础上，发展了超长碳纳米管内层可控抽出的技术，使得制备高密度全同手性碳纳米管阵列成为可能，为高品质碳纳米管的制备、高性能电子器件的组装、高强度碳纳米管管束的获得提供了全新的思路。本项目的研究不仅推动了对碳纳米材料生长规律的认识，也促进了对碳纳米管基本性质的研究，有利于碳纳米管在器件领域的进一步应用。