近期研究表明，碳纳米管表面sp3功能化不仅可以调控其发光波长，还可以大幅提高碳纳米管的发光效率。通过sp3调控手段增强碳纳米管的发光效率依赖于碳纳米管的手性角。随着手性角的减小，碳纳米管光子发射能量逐渐红移，最终坍缩到单一的发射态，这些结果表明小手性角的锯齿型或近锯齿型碳纳米管在单光子发射器件方面可能具有很好的应用前景。目前对于锯齿型和近锯齿型碳纳米管的宏量制备，无论是生长还是分离都面临着巨大的挑战，直接限制了这些碳纳米管性质和应用的研究。
最近该团队博士后杨德华在刘华平研究员、魏小均副研究员、周维亚研究员以及解思深院士的指导下，与日本产业技术综合研究所Karaura上席研究员合作，发展了高精度凝胶色谱技术，突破了近锯齿型单一手性碳纳米管的宏量制备瓶颈。在十二烷基硫酸钠、胆酸钠复合表面活性剂体系中，他们发现低温下（<18 ℃）可以实现小手性角碳纳米管，特别是锯齿型和近锯齿型碳纳米管在凝胶媒介上的高选择性吸附（图1）。在此基础上，他们提出了两步分离策略对近锯齿型碳纳米管单一手性结构进行宏量分离（图 2）：第一步，室温下利用十二烷基硫酸钠、胆酸钠、脱氧胆酸钠复合表面活性剂选择性分步洗脱吸附在凝胶中的碳纳米管对其直径进行分离；第二步，通过调控十二烷基硫酸钠、胆酸钠二元表面活性剂体系的温度到18 ℃以下，对直径相似的碳纳米管进行手性角分离。利用这种两步分离技术，他们分离制备出了11种手性角小于20°的单一手性碳纳米管，其中7种单一手性碳纳米管的分离产量达到了次毫克量级，如 (7, 3), (8, 3), (8, 4), (9, 1), (9, 2), (10, 2)以及 (11, 1)等（图 3）。该工作将宏量分离的单一手性碳纳米管的种类扩展到了10余种，为系统探测和调控碳纳米管的物理性质及其在信息电子、光电子、生物成像等领域的应用提供了材料基础。
相关研究成果最近以“Submilligram-scale separation of near-zigzag single-chirality carbon nanotubes by temperature controlling a binary surfactant system”为题发表在Science子刊Science Advances （Sci. Adv. 2021, 7, eabe0084）上，并被美国Nanowerk News作为亮点工作报道(https://www.nanowerk. com/nanotechnology-news2/newsid=57335.php)。
上述研究成果得到了国家重点研发计划项目（2020YFA0714700, 2018YFA0208402），国家自然科学基金委（51820105002, 11634014, 51872320），中国科学院项目（XDB33030100, QYZDBSSW-SYS028, 2020005）等的资助。
文章链接：
https://advances.sciencemag.org/content/advances/7/8/eabe0084.full.pdf
图 1. 温度调控实现碳纳米管手性角的选择性吸附。 (A)分离碳纳米管手性角示意图； (B) 十二烷基硫酸钠、胆酸钠复合表面活性体系中，不同温度下吸附在凝胶媒介中的碳纳米管光吸收谱；(C) 不同温度下选择性吸附的碳纳米管的手性角分布。
图 2. 通过直径、手性角连续分离单一手性锯齿型和近锯齿型碳纳米管示意图。
图 3. 分离制备的单一手性碳纳米管表征。(A) 分离制备的15种单一手性碳纳米管光吸谱及（B）溶液照片; (C) 各种单一手性碳纳米管的纯度分布； (D) 次毫克量级单一手性碳纳米管溶液照片。
Sci. Adv. 7, eabe0084 (2021).pdf
