论文DOI：10.1002/smtd.202101333近日，清华大学张如范副教授课题组提出了一种非常巧妙的思路，利用物质燃烧产生的烟中的焦油液滴，实现了单根碳纳米管的快速、简便和安全的可视化。本工作以“Fast In-situ Optical Visualization of Carbon Nanotubes Assisted by Smoke”为题发表在国际一流期刊《Small Methods》上。纳米材料的便捷可视化与可控操纵是对其开展基础物性研究和器件制备的关键，尤其是对于碳纳米管这种直径仅有数纳米的纳米材料而言，快速的观测和定位对顺利开展其结构表征和性能研究具有重要意义。扫描电子显微镜和透射电子显微镜是对碳纳米管的形貌和结构进行表征的有力工具，它们具备表征方便和分辨率高等优势，但同时也存在需要高真空环境、多数情况下难以对样品进行操纵等限制。此外，在对单根碳纳米管进行电学和光学性质表征时，基底的信号往往会对碳纳米管本征性质的测量带来干扰，因此，将碳纳米管悬空在基底沟槽上更有利于对其基础性质开展研究。与非悬空碳纳米管相比，悬空碳纳米管由于缺乏与基底的成像对比，使其在电子显微镜中的观测非常困难。不仅如此，诸如碳纳米管的拉曼光谱测量和纳米器件制备等很多表征则需要在大气环境下进行，由于碳纳米管的纳米级直径已经超出了光学显微镜的分辨率极限，使得它们无法在光学显微镜下被观测到，这就为碳纳米管在光学显微镜下的表征带来很多困难。因此，开发单根碳纳米管的光学可视化技术对于顺利开展碳纳米管在光学环境下的表征具有重要的意义。为实现碳纳米管的光学可视化，研究者开展了很多尝试，也发展出不少有效的方法。目前已报道的方法可分为两类：一种方法是利用纳米颗粒或纳米液滴对碳纳米管进行修饰，利用这些纳米颗粒或液滴的散射效应辅助实现单根碳纳米管的光学可视化；另一种方法是直接开发具有超高分辨率的高端光学显微镜并结合专门设备对碳纳米管进行直接成像。然而，上述两类方法都存在一些限制和不足之处。例如，基于金属纳米颗粒的碳纳米管光学可视化方法步骤繁琐且不适用于悬空碳纳米管；基于四氯化钛（或四氯化锡）水解产生二氧化钛（或二氧化锡）纳米颗粒的碳纳米管可视化方法需要用到自身有毒且水解过程危险并产生有害物质氯化氢的四氯化钛（或四氯化锡）前驱物，操作过程危险且产生的二氧化钛（或二氧化锡）纳米颗粒难以去除；基于水蒸气或其他挥发性纳米颗粒碳纳米管光学可视化方法面临水滴和挥发性颗粒停留时间短、后续表征困难等限制；而基于超高分辨率光学显微镜的碳纳米管直接成像技术则面临技术复杂、成像分辨率低、对基底平整度和样品清洁度要求极高等限制。因此，开发一种简便、快捷、安全碳纳米管的光学可视化方法具有重要的意义。以香烟为例，当香烟烟气接触到悬空碳纳米管时，其中包含的大量焦油液滴在碳纳米管上快速沉积，形成如珍珠项链一般漂亮的串珠状结构。随接触时间延长，液滴快速长大，当其直径增大至与可见光波长相当时，由于它们对可见光产生较强的米氏散射效应，从而可以在光学显微镜下清楚成像，从而实现了碳纳米管的快速定位。并且上述过程非常便于进行原位操纵，从而可以实现单根碳纳米管的原位和快速光学可视化。该烟雾辅助可视化过程简捷快速，只需几秒钟即可完成，且原料来源广泛，纸张、木材、佛香、香烟等任何可以燃烧生烟的物质都可用于上述过程。只需使其烟气与碳纳米管接触即可实现可视化，对环境条件（如温度、湿度等）无任何严格要求，使该方法不受环境及原料限制，大大简化了纳米材料的光学可视化这一问题，为纳米材料的快速定位与后续应用提供便利。另外，在环境条件下，焦油液滴可以逐渐转变成固体颗粒而长期稳定存在。同时，通过激光辐照，焦油液滴可根据实际需要在不损坏碳纳米管的情况下进行局部或全部去除以及再沉积，使其应用范围得到进一步扩展。▲图2. 不同来源的烟气均可实现碳纳米管的光学可视化（a-d中的燃烧物质分别是纸张、檀香、树枝和香烟）
利用该方法，可以轻松实现碳纳米管的拉伸、转移、力学性能测试、器件制备等多种操纵。另外，该方法同样适用于二维悬空碳纳米管网络。利用该可视化方法可以观察到其独特的蜘蛛网状结构，且可以利用该网络承载微小颗粒（如NaCl、FeCp2等），有望将其用于微小质量传感器等。本工作开发了一种快速、简便、可控、无损、低成本和无污染的纳米材料光学可视化方法。在光学显微镜下，可以原位观察到焦油液滴在碳纳米管上的捕获及生长过程。焦油液滴的来源广泛且易于获得，香烟、纸张、木材、檀香等可以燃烧生烟的物质均可作为烟气来源。焦油液滴可以可控方式通过激光照射轻松去除，并根据需要重新沉积。此外，该方法还可用于观察二维碳纳米管网络以及碳纳米管的拉伸、转移、力学性能测试等操纵。该方法大大促进了以碳纳米管为代表的纳米材料的便捷可视化与可控操纵，为纳米材料的快速观测、定位与表征带来便利。清华大学化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员、中国化工学会专业会员、北京能源与环境学会京津冀专家委员会委员、SusMat青年编委。2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系，2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，取得多项突破性科研成果。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文75篇。申请发明专利12项；撰写学术专著7部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）、教育部博士研究生学术新人奖（2012）等奖励。
http://www.rufanzhang-group.cnhttps://doi.org/10.1002/smtd.202101333
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