東京大學研究生院工學系研究科的大塚慶吾助教等人的研究團隊發現，即使在碳奈米管生長過程中周圍溫度或催化劑粒子的尺寸發生變化，奈米管自身的手性結構（卷繞方式）仍然會保持生長初期的狀態。這表明奈米管的結構確定過程與伸長過程可以分開設計。相關研究成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1 催化劑粒子在生長過程中發生變化，但奈米管能夠保持相同結構持續伸長（圖片提供：東京大學）
碳奈米管根據手性的不同，既可表現為金屬特性，也可表現為半導體特性。想要獲得符合應用需求的性能，就需要結構均一的奈米管。然而，在工業領域廣泛使用的浮動催化劑化學氣相沉積法（FCCVD）中，催化劑奈米粒子會在反應管中流動的同時合成奈米管，因此催化劑粒子所處的溫度和原料氣體濃度會時刻發生變化，粒子本身也逐漸變大。過去認為，大尺寸催化劑粒子會生長出較粗的奈米管，並且已有間接觀察和模擬報告表明，奈米管的直徑會隨溫度、原料氣體種類和催化劑尺寸的變化而在中途發生改變。
對此，研究團隊提出了這樣一個問題：「如果催化劑粒子在中途變大，奈米管的結構是否會隨之改變？」由於持續觀察生長中的催化劑粒子較為困難，研究人員設想將奈米管的生長速度作為催化劑尺寸的指標加以利用。由於生長速度與催化劑粒子的表面積成正比，如果能夠追蹤速度隨時間的變化，便可推算出催化劑的尺寸變化。
研究團隊運用自主研發的數位同位素標記法，將每根奈米管的生長歷程以碳同位素標記的形式記錄在奈米管本體上，在生長後通過拉曼散射光譜讀出。由於從同
一光譜中還可以判別手性，因此可獲得大量關於催化劑和奈米管兩者尺寸的歷史資訊。
使用負載在基板上的鐵催化劑粒子，在爐溫800℃至873℃之間升降的條件下合成碳奈米管，結果發現，部分碳奈米管伴隨催化劑粗粒化，在同一溫度條件下生長速率提升約一倍，但在長達150微米以上的範圍內，其手性始終保持不變。對總計9.4毫米長度進行分析後發現，平均每約400微米才出現一次手性變化，這與穩態合成環境下的情況大致相當。在分子動力學模擬實驗中，當逐漸增大催化劑粒子並持續供給碳原子時，也確認了奈米管在手性保持不變的情況下持續伸長。手性變化需要在碳六元環中包含五元環、七元環等缺陷，但這些不穩定的缺陷在固定到奈米管壁之前，就已在催化劑表面被去除，因此初始形成的手性得以保持。
此次的研究成果表明，手性在初始階段即被決定，在後續生長過程中即使催化劑粒子尺寸和周圍環境發生變化也能夠保持不變，即具有結構記憶性。考慮到催化劑一側容易發生各類變化，若要探討催化劑顆粒如何決定奈米管管徑，僅依靠此前的生長後觀測手段是不夠充分的。從工業角度來看，這意味著奈米管的結構控制和產量優化可以獨立設計，印證了對合成環境做時間或空間調變這一技術策略的可行性，有望為實現質量與產量兼顧的碳奈米管合成工藝提供設計指導。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Isotope-labeled growth histories reveal persistent chirality in individual carbon nanotubes despite catalyst evolution
DOI：10.1038/s41467-026-77101-2
