这项研究是由韩国基础科学研究所(IBS)多维碳材料中心的冯鼎及其合作者进行的。
碳纳米管是由碳元素构成的轻而坚固的纳米材料。这种碳具有极高的导热性和出色的载流能力，这使得碳纳米管适合用于电子领域。
虽然碳纳米管被认为是未来最有吸引力的材料之一，但其可控合成仍然是研究者面临的一大挑战。碳纳米管的形状可与纸管相比较——就像将纸卷成圆柱体一样，碳纳米管可被看作是单独卷起的石墨层。
以类似的方式，可以通过在其短边、长边或不同角度的对角方向滚动一张纸来创建不同的管道。根据轧制方向，一层石墨可以产生不同的碳纳米管结构，其中一些是半导体，另一些是导电的。
因此，选择性生产某种特定类型的碳纳米管将对其未来的应用至关重要，比如构建节能的计算机芯片。
然而，碳纳米管不是通过轧制方法制造的，而是在纳米级上不断生长，同时在纳米柱的边缘一次一个原子地引入碳。
在过去的30年里，人们进行了大量的研究来确定碳纳米管的生长，但这种认识仍然非常有限，而且为某些类型的碳纳米管的生长进行实际的实验设计也非常困难。
化学气相沉积(CVD)是发展起来的最具潜力的碳纳米管制造技术之一。这个过程包括将金属纳米颗粒与含碳气体结合，在高温炉中形成碳纳米管。
这些金属纳米颗粒在碳纳米管的尖端起着催化剂的主要作用——纳米颗粒将碳源从含碳气体中分离出来，并帮助将这些碳原子绑定到碳纳米管的壁上，使碳纳米管变得越来越长。当催化剂颗粒被无定形碳或石墨覆盖时，碳纳米管立即停止生长。
碳原子被嵌入到催化剂纳米颗粒和不断增长的碳纳米管之间的界面上，在边缘的活性位点上，可以包含新的原子。较早的碳纳米管生长速率模型表明，碳纳米管生长速率与CNT-催化剂界面上活性位点的密度或特定的碳纳米管结构成正比。
在这项分析中，科学家们跟踪了以钴纳米颗粒为催化剂、一氧化碳(CO)为碳原料的氧化镁(MgO)载体上碳纳米管在700℃时的稳定生长。通过对16个碳纳米管的直接实验测量，证实了早期理论的扩展。
令人惊讶的是，碳纳米管的生长速度只取决于催化剂颗粒的大小。这意味着我们之前对碳纳米管生长的认识还不全面。
何茂帅，研究第一作者，基础科学研究所
特别是沉积在催化剂颗粒表面的碳原子可以通过蚀刻剂去除，如CO2、O2、H2O或H2，或者集成在CNT的活性侧。
为了描述最新的实验观察，研究人员包括了碳纳米管生长时碳的插入和移除的影响，并发现生长速率依赖于催化剂的管径和表面积比。
与之前的模型相比，我们增加了三个因素:前驱体沉积速率、蚀刻剂去除碳的速率和碳纳米管壁插入碳的速率。当原料离解不能通过碳蚀刻来平衡时，碳纳米管的生长速率不再依赖于碳纳米管的结构。另一方面，如果蚀刻占主导地位，先前的理论仍然有效。
冯鼎，基础科学研究所多维碳材料中心组长
有趣的是，CNT生长的最新概念产生了一种新的机制，可以选择性地生长一种特定类型的CNTs，即(2n, n) CNTs，其特征是在CNT-催化剂界面上存在最多的活性位点。这种结构的碳纳米管将涉及到滚动石墨片对角约19°。
如果不进行碳蚀刻，碳纳米管生长缓慢，催化剂表面的碳原子会积累。这可能导致石墨或非晶碳的形成，这是碳纳米管生长终止的既定机制。在这种情况下，只有碳纳米管能够在其壁上添加碳原子，也就是活性位点最多的碳纳米管才能存活。
作者之一、北京大学教授张晋
根据最新的理论解释，科学家们成功地设计了实验，产生了选择性高达90%的(2n, n) CNTs:这种碳纳米管的最大选择性生长是在高浓度的原料中完成的，不使用任何蚀刻剂。
