近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所邱松團隊在國際期刊MaM發表題為《Carbon nanotube dispersant exchange strategy: a new opportunity for solution-based purification methods》的研究論文。論文第一作者為李清源，通訊作者為邱松。研究圍繞高純度單壁碳納米管（SWCNTs）制備后的應用瓶頸，系統提出并梳理了“分散劑交換”策略，為高純度碳納米管從實驗室走向規模化應用提供了新的技術思路。
單壁碳納米管因具有優異的電學、光學和力學性能，被認為是后摩爾時代極具潛力的新一代半導體材料。目前，溶液法已能夠實現高純度、單手性碳納米管的分離提純，但長期以來存在一個關鍵難題：經過分選后的碳納米管通常只能穩定存在于特定的分散體系中，難以轉移至其他應用介質，限制了其在集成電路、光電器件、生物傳感等領域的進一步應用。
針對這一瓶頸，研究團隊提出了“分散劑交換”策略，即通過置換碳納米管表面吸附的分散劑分子，實現不同分散體系之間的靈活切換，從而打通水相體系與有機相體系之間長期存在的技術壁壘。論文首次從系統層面對這一策略進行了定義和分類，將分散劑交換劃分為水相內交換、有機相內交換、水相到有機相、有機相到水相四種典型場景，并總結出競爭置換和兩步序貫交換兩條實施路徑，為后續技術開發建立了統一的理論框架。
圖1 分散劑交換策略的兩大類場景與兩條實施路徑
在具體機制方面，研究團隊通過多個典型案例展示了不同交換方式的實現過程。例如，在水相體系中利用表面活性劑替代DNA分散劑，在有機體系中通過聚合物交換獲得傳統方法難以制備的特定手性碳納米管，以及借助NaCl晶體作為支撐介質，實現聚合物分選碳納米管從有機體系向水相體系的跨溶劑轉移。這些研究進一步證明，在合理的交換條件下，碳納米管的手性純度能夠得到有效保持。
圖2 三種代表性分散劑交換過程的具體機制
此外，團隊還開發了一種高效的跨溶劑轉移新方法。研究利用三氟乙酸（TFA）逐步剝離碳納米管表面的聚合物，并通過控制溶解狀態和較低離心力，避免碳納米管發生不可逆團聚，最終實現約60%的轉移效率，同時保持原有的手性純度。這一方法為解決跨溶劑交換過程中最棘手的團聚問題提供了新的解決方案，也驗證了聚合物分選得到的高純度碳納米管能夠順利轉移至生物相容性水相體系。
研究人員表示，分散劑交換策略不僅填補了高純度單壁碳納米管制備與實際應用之間長期存在的工藝鴻溝，也為碳納米管在生物傳感、生物成像、光電子器件以及碳基集成電路等領域的產業化應用奠定了基礎。隨著相關技術不斷完善，該策略有望進一步降低高性能碳納米管器件的制造成本，加速碳基半導體技術邁向大規模應用。
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