稳定性解决方案使独特形式的碳更接近实际应用

研究团队将碳链封闭在单壁碳纳米管中——这些微小的管状结构完全由碳构成，其厚度是人类头发的几千倍。研究人员表示，在低温下进行此操作可以使碳链更稳定、更容易生产，有可能带来材料科学和技术的新进展。他们称这一发展为“令人鼓舞的消息”，因为科学家们数十年来一直努力在足够大的数量上创造稳定的碳链以进行更深入的研究。

“碳链的发现历史就像一个侦探故事，”工程科学与力学教授、发表在ACS Nano上的研究共同作者斯拉瓦·V·罗特金（Slava V. Rotkin）说。“它是通过理论预测的，但多年来尝试合成却以失败告终，因为这些链条要么弯曲，要么形成非预期的键合。”

这种不稳定性使得研究变得困难，更难想象在现实应用中的使用。然而，正如石墨烯那样，原子级薄的二维碳材料已在一些电子产品中应用，碳链的极度强度和电子特性继续吸引研究人员，以其有可能革新电子产品的潜力。罗特金说，碳链比石墨烯更具吸引力，因为它在性能上有内在的优势。

“像石墨烯一样，碳链可以让电子快速移动，”罗特金说。“然而，碳链还有一种叫做‘半导体间隙’的特性，这使得它在构建电子设备的微型开关中非常有用。石墨烯则没有这个间隙，因此无法以相同的方式使用。”

半导体间隙是一个小能量间隙，使得材料能够作为电流的开关。纯形式的石墨烯不能单独作为晶体管，因为电子可以始终通过它流动，因为它没有这个间隙。虽然可以通过各种添加和操作使石墨烯具有间隙，但碳链自然具有这个间隙。这意味着未来基于碳链的电子设备可能更容易提供比今天硅基技术更快、更高效的性能。

除了可能解决不稳定问题外，研究人员的新合成方法可能还解决了碳链实现其巨大潜力的另一个障碍。碳链研究中最大的一项挑战是生产大量的碳链。在过去，通常只能在极端条件下（如高温、强压或化学反应环境下）生产出极少量的碳链。这些因素使科学家无法完全探索其特性。然而，新合成方法改变了这一点。

这项新方法的突出之处在于相比旧技术，它更容易和更有效，研究人员表示。首先，团队使用一种特殊的前驱体，作为温和的起始材料，称为氨基胆酸盐（ammonium cholate），在更低的温度下生长碳链。其次，他们使用单壁碳纳米管作为包裹碳链的保护壳，这种方法比过去使用的更厚的多层管效果要好得多。这层保护壳有助于保持脆弱的碳链保持稳定。最后，新的方法生产更多的碳链，这意味着科学家现在可以更深入地研究它并探索其在现实应用中的潜力。

“该技术的两个主要进展是其低成本和高产量，”罗特金说。“这为更广泛的研究打开了大门，无论是在基础科学方面还是向实际应用方面迈进。”

通过将碳链封装在碳纳米管内，研究人员还找到了保持其独特特性的方法。这些纳米管作为保护壳，防止碳链降解，同时仍允许科学家在其几乎纯净的状态下进行研究。

“重要的是，单壁纳米管不会对碳链产生太大干扰，”罗特金指出。“只有微弱的范德华相互作用——这些弱力使碳链保持在原位而不会与纳米管壁键合。”

虽然现实应用仍处于早期阶段，但罗特金表示，碳链的潜力巨大。由于它是一种强相关材料，其特性超越了经典物理，这意味着它可能在下一代计算和纳米技术中有应用。

“这样的材料在正常状态和被激发时都有复杂的行为，”罗特金说。“这意味着我们正在处理量子材料，这可能导致全新的技术。”

研究团队在研究过程中还发现了一个意外的结果。他们发现一种常见的溶剂——胆酸盐（cholate），一种人体用来溶解有机化合物的胆酸盐，可以在没有额外复杂步骤的情况下转化为碳链。

“常见的溶剂如胆酸盐能够不遇到任何问题地转化为碳链，这完全出乎意料，”罗特金说。“这显示了即使是熟悉的材料在先进化学中也能承担新的角色。”

尽管关于碳链的许多问题仍未得到解答，罗特金表示，他认为这是一个重要的进步。通过以更大数量稳定地生产碳链，研究人员现在可以更深入地探索其潜力。

“过去，可用于研究的材料数量几乎不够一两个小组确认其存在，”罗特金说。“现在，我们有机会真正理解其特性和应用。”

除了罗特金，东京大学的张博文、邱熙阳、胡青梅、河田郁马、千桥翔平、大塚圭吾和丸山茂夫；浙江大学的马亦承、郑永佳和向荣；安特卫普大学的阿伊娜·菲托-帕雷拉、德米特里·I·列夫肖夫、索菲·甘布雷和温·文斯雷尔斯；大连大学的冯雅；名古屋大学的松尾裕；以及马里兰大学的王宇晖和张智宇也为该研究做出了贡献。丸山领导了研究团队，并是论文的通讯作者。

美国能源部和日本学术振兴会支持了这项研究。