自然—通讯:一维纳米材料光学可视化研究获进展

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近日，清华大学化工系魏飞教授带领的团队在一维纳米材料的光学可视化方面取得了重要进展。该成果以“Optical visualization of individual ultralong carbon nanotubes by chemical vapour deposition of titanium dioxide nanoparticles”（”通过化学气相沉积二氧化钛纳米颗粒实现单根超长碳纳米管的光学可视化”）为标题于4月16日在线发表在国际著名综合性学术期刊《自然—通讯》(Nature Communications)上。

纳米技术的出现极大地改变了人类的生活面貌，航天、航海、微电子、信息、食品、服装、医药等众多领域都应用了各种各样的纳米材料。纳米材料按照其形貌可以分为零维、一维、两维以及三维纳米材料等。其中一维纳米材料如碳纳米管等由于其优异的物理和化学性能、便于构建多级结构等优势而具有广阔的应用前景。在一维纳米材料的研究中，最关键而同时又是最困难的一个步骤在于如何制取、操纵和应用具有完美结构的单根一维纳米材料，从而充分展示其优异性能。由于一维纳米材料的长度可以达到毫米级甚至厘米级以上，而其直径却往往只有几个纳米，这种跨越多个数量级的尺度范围为其研究带来了极大困难。迄今为止，其形貌的表征主要依赖于电子显微镜，而如果能够实现其在光学环境下的可视化，将为其表征、操纵和微纳器件构建带来极大的便捷。近日，清华大学魏飞教授带领其在化工系与微纳米力学与交叉学科研究中心（CNMM）的研究团队，在单根超长碳纳米管的光学可视化方面取得了突破性进展。

该研究团队以单根超长碳纳米管为研究材料，通过气相自组装的方式在单根碳纳米管上负载二氧化钛纳米颗粒，实现了单根碳纳米管在光学环境下的可视化。所负载的二氧化钛颗粒分布在数十至数百纳米，由于这种粒径大小的纳米颗粒对可见光有很强的散射能力（遵循米氏散射），使得它们在低倍的光学显微镜甚至普通的放大镜下就可以用肉眼看到。正是有了这些纳米颗粒的标记作用，负载有单个或多个这种纳米颗粒的单根碳纳米管就可以在光学显微镜下被清晰地观察并准确定位。实现这种一维纳米材料光学可视化的方法过程简单，不需要复杂的设备，其过程只需要几秒钟的时间，非常简单高效。有了一维纳米材料的光学可视化，就可以摆脱电子显微镜等昂贵表征设备的限制，利用普通光学显微镜实现一维纳米材料的可控操纵。在此基础上，魏飞教授的团队实现了单根碳纳米管的任意拉伸、剪切、转移等各种操纵，为单根碳纳米管的结构表征、性能测量以及器件构建等带来了极大的便利。