东京大学研究生院工学系研究科的大塚庆吾助教等人的研究团队发现，即使在碳纳米管生长过程中周围温度或催化剂粒子的尺寸发生变化，纳米管自身的手性结构（卷绕方式）仍然会保持生长初期的状态。这表明纳米管的结构确定过程与伸长过程可以分开设计。相关研究成果已发表在《Nature Communications》上。
图1 催化剂粒子在生长过程中发生变化，但纳米管能够保持相同结构持续伸长（供图：东京大学）
碳纳米管根据手性的不同，既可表现为金属特性，也可表现为半导体特性。想要获得符合应用需求的性能，就需要结构均一的纳米管。然而，在工业领域广泛使用的浮动催化剂化学气相沉积法（FCCVD）中，催化剂纳米粒子会在反应管中流动的同时合成纳米管，因此催化剂粒子所处的温度和原料气体浓度会时刻发生变化，粒子本身也逐渐变大。过去认为，大尺寸催化剂粒子会生长出较粗的纳米管，并且已有间接观察和模拟报告表明，纳米管的直径会随温度、原料气体种类和催化剂尺寸的变化而在中途发生改变。
对此，研究团队提出了这样一个问题：“如果催化剂粒子在中途变大，纳米管的结构是否会随之改变？”由于持续观察生长中的催化剂粒子较为困难，研究人员设想将纳米管的生长速度作为催化剂尺寸的指标加以利用。由于生长速度与催化剂粒子的表面积成正比，如果能够追踪速度随时间的变化，便可推算出催化剂的尺寸变化。
研究团队运用自主研发的数字同位素标记法，将每根纳米管的生长历程以碳同位素标记的形式记录在纳米管本体上，在生长后通过拉曼散射光谱读出。由于从同一光谱中还可以判别手性，因此可获得大量关于催化剂和纳米管两者尺寸的历史信息。
使用负载在基板上的铁催化剂粒子，在炉温800℃至873℃之间升降的条件下合成碳纳米管，结果发现，部分碳纳米管伴随催化剂粗化，在同一温度条件下生长速率提升约一倍，但在长达150微米以上的范围内，其手性始终保持不变。对总计9.4毫米长度进行分析后发现，平均每约400微米才出现一次手性变化，这与稳态合成环境下的情况大致相当。在分子动力学模拟实验中，当逐渐增大催化剂粒子并持续供给碳原子时，也确认了纳米管在手性保持不变的情况下持续伸长。手性变化需要在碳六元环中包含五元环、七元环等缺陷，但这些不稳定的缺陷在固定到纳米管壁之前，就已在催化剂表面被去除，因此初始形成的手性得以保持。
此次的研究成果表明，手性在初始阶段即被决定，在后续生长过程中即使催化剂粒子尺寸和周围环境发生变化也能够保持不变，即具有结构记忆性。考虑到催化剂一侧容易发生各类变化，若要探讨催化剂颗粒如何决定纳米管管径，仅依靠此前的生长后观测手段是不够充分的。从工业角度来看，这意味着纳米管的结构控制和产量优化可以独立设计，印证了对合成环境做时间或空间调制这一技术策略的可行性，有望为实现质量与产量兼顾的碳纳米管合成工艺提供设计指导。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Isotope-labeled growth histories reveal persistent chirality in individual carbon nanotubes despite catalyst evolution
DOI：10.1038/s41467-026-77101-2
