碳纳米管手性角守恒的低温高效融合机制及其光学特性调控

研究人员针对sp2碳化学中原子级精确的碳纳米管(CNT)融合难题，通过低于1000℃的热处理实现了(n,m)碳纳米管向(2n,2m)结构的定向融合，手性角(θ)保持率达20%-40%。该研究揭示了手性角依赖的序列键断裂重组(SBCR)机制，并在600℃含氧条件下实现高效反应，为大规模制备特定结构碳纳米管及调控其光电性能提供了新策略。

　　

碳纳米管因其独特的电学、光学和力学性能，成为纳米材料研究的热点。然而，如何实现原子级精确的碳纳米管融合，一直是sp²碳化学领域的重大挑战。传统方法需要超过1200℃的高温或电子辐照，且效率低下。更关键的是，融合过程中碳纳米管的手性结构（由直径和手性角θ决定）往往难以保持，而手性结构直接决定了碳纳米管的性能。这一瓶颈严重限制了碳纳米管在电子器件、能源存储等领域的应用潜力。

日本京都大学Yuhei Miyauchi团队在《Nature Communications》发表的研究，通过创新性的低温热处理策略，成功实现了碳纳米管的手性角守恒融合。研究人员采用单手性富集的(6,5)碳纳米管膜，在900-1000℃真空热处理后，通过光学吸收谱、拉曼光谱和像差校正透射电镜(TEM)等多维表征技术，证实了(6,5)纳米管高效转化为(12,10)结构，且手性角保持27°不变。尤为重要的是，新出现的0.67 eV激子吸收峰和径向呼吸模(RBM)峰位移动，证实了融合反应在整个样品中宏观发生。

研究采用的关键技术包括：凝胶色谱法分离单手性碳纳米管、真空过滤法制备纳米管膜、可控气氛热处理系统、高分辨TEM结合纳米束衍射确定手性角，以及分子力学模拟揭示反应机制。

Coalescence reaction of (6,5) nanotubes
通过对比热处理前后(6,5)纳米管膜的光学吸收谱，发现原始1.21 eV的S₁₁激子峰强度降低，同时出现0.67 eV新峰（对应(12,10)的S₁₁跃迁）。TEM直接观察到直径从0.75 nm增至1.5 nm的纳米管，其摩尔纹图案与(12,10)模拟结果一致。衍射分析进一步确认手性角保持27°。

Chirality dependence
系统研究不同手性角纳米管的融合效率发现：近扶手椅型(6,5, θ≈27°)和扶手椅型(6,6, θ=30°)效率最高（达20-40%），而近锯齿型(10,0, θ=0°)几乎不发生反应。这种显著的手性依赖性通过序列键断裂重组(SBCR)机制解释——近扶手椅型相邻碳原子的空间位阻更小，利于反应链式进行。

Coalescence of the enantiomers
实验排除了(6,5)与其对映体(5,6)交叉融合生成(11,11)的可能性，证实反应具有严格的手性选择性。

Mechanism of the coalescence
分子力学模拟显示，(6,5)纳米管每形成一个C-C键可释放0.025 eV/原子能量，而(10,0)需消耗能量。这种差异源于几何约束：近扶手椅型融合时碳原子间距更接近sp²键长。

突破性发现是：在600℃、10 Pa氧气条件下即可触发融合反应。推测氧原子优先吸附小直径纳米管形成C-O-C环氧链，促进C-C键断裂。这一发现将传统反应温度降低超过1000℃。

该研究的意义在于：首次实现了宏观尺度碳纳米管的手性角守恒融合，建立了手性选择性的SBCR机制，并开发出低温催化策略。这不仅为制备特定结构的大直径碳纳米管提供了新途径，还能通过后处理调控纳米管组装体的电导率、热导率和机械强度。例如，半导体性(6,5)纳米管膜电阻经融合后降低，而金属性(6,6)膜电阻升高，展现出性能可设计性。未来通过优化氧催化条件，可能实现更高效率的定向融合，推动碳纳米管在柔性电子、量子器件等领域的实用化进程。