小直径、高密度碳纳米线，成功制备

近年来，碳炔（即长线性碳链，LLCCs）因其具有预测的优异特性而备受关注。然而在实验中，由于稳定性较低，其特性难以探测。要提高稳定性，就必须将长线性碳链包裹在小直径碳纳米管（CNTs）中。目前，研究人员已开发出一种合成小直径单壁碳纳米线（SWCNWs）的新方法，这种碳纳米线的特点是单壁碳纳米管中包裹着高密度的长线性碳链。该研究成果发表在《化学物理快报》上。

众所周知，碳素以多种不同物理形态（即同素异形体）存在。它既可以以三维（3D）形态存在，如石墨和金刚石；也可以以二维（2D）结构存在，如石墨烯；甚至能以线性碳链（LCCs）的形式存在。其中，碳炔是由单个碳原子构成的极长链状结构，也被称为长线性碳链（LLCCs），已引起研究人员的广泛关注。据预测，碳炔具有极佳的理论机械强度和导热性，这使其在纳米技术、储能等多个领域拥有广阔的应用前景。

但在实验中，研究人员难以详细研究长线性碳链的特性。这是因为暴露在外的碳原子反应活性较高，导致长线性碳链在环境条件下不稳定。而这一问题的解决方法就是长线性碳链嵌入碳纳米管中，形成所谓的碳纳米线（CNWs）。

在过去十年间，一种颇具前景的碳纳米线合成方法得以开发，将受限在碳纳米管内部的小型碳基分子进行高温加热。长线性碳链在直径为 0.7-0.8 纳米（nm）的单壁碳纳米管（SWCNTs）内稳定性最佳，但以往的大多数尝试所合成的单壁碳纳米线（SWCNWs），直径均超过 0.9 纳米。

为应对这一挑战，日本名城大学应用化学系丸山隆博教授带领的研究团队，开发出一种高效合成小直径单壁碳纳米线的方法，这种纳米线中含有高密度的长线性碳链。丸山教授解释道：“近期有研究表明，通过将聚炔包裹在单壁碳纳米管中，有可能获得小直径碳纳米线。在此基础上，我们合成出了直径更小的单壁碳纳米线，同时大幅提高了长线性碳链的浓度。”

该团队的纳米线制备过程如下：首先，将开口单壁碳纳米管与含有不同浓度纯化聚炔分子的正己烷溶液混合；随后，将混合物置于高压反应器中，在 80°C 的温度下加热 24 小时，使聚炔分子进入单壁碳纳米管内部。之后，将得到的聚炔填充型单壁碳纳米管（polyyne@SWCNTs）在高真空环境下加热至 700°C 并保持 4 小时，使其转化为长线性碳链填充型单壁碳纳米管（LLCCs@SWCNTs），即单壁碳纳米线。

研究团队通过拉曼光谱证实，第一步中聚炔分子已有效包裹到单壁碳纳米管内，且后续成功形成了单壁碳纳米线。

实验还发现，单壁碳纳米线中长线性碳链的浓度，会随初始正己烷溶液中聚炔分子浓度的增加而升高。通过优化聚炔分子浓度，研究人员成功合成出长线性碳链密度创纪录的单壁碳纳米管。

值得注意的是，所制备的单壁碳纳米线样品直径仅为 0.73-0.77 纳米，远小于以往研究中报道的数值。能实现如此小的直径，得益于聚炔分子较小的尺寸。

丸山教授解释说：“在我们的实验中，采用了呈细长线性结构的聚炔分子作为碳源，其直径与碳原子的范德华直径几乎相同。相比之下，以往研究使用的前驱体分子相对较大，导致合成的单壁碳纳米线直径超过 0.9 纳米。”

此外，在优化后的样品中，拉曼光谱中L带与G带的比值（该比值可反映长线性碳链的数量与密度）达到了 3.6，这是目前已报道的小直径单壁碳纳米线中的最高值。

丸山教授补充道：“我们这种合成高密度小直径单壁碳纳米线的方法，将帮助研究人员探测长线性碳链的确切特性。这有望在从纳米技术到传感器再到储能等众多领域实现突破。”