苏州大学 Nano Letters：原位电子驱动的碳纳米棒-富勒烯转变

【引言】

sp²纳米材料仍然具有巨大的发展前景，战略性地结合和操纵纳米结构方法将进一步增强和推动纳米技术的整体发展。结构规模要求在原子尺度上精确，促使观察原子成像和结构改变手段的电子显微镜更加具有吸引力。在众多研究中，不同sp²碳纳米结构的组合，相互作用和转化。富勒烯合并到单壁碳纳米管的外部，已经证明了它们的变形入纳米管。TEM中也研究了富勒烯插入的石墨。许多电子辐照驱动的反应也从碳上形成其他新的碳材料。

【成果简介】

近日，苏州大学Alicja Bachmatiuk和Mark H. Rummeli（共同通讯）在Nano Letters发表“In Situ Electron Driven Carbon Nanopillar-Fullerene Transformation through Cr Atom Mediation”文章，首次展示了碳纳米管的开放端与石墨烯接口通过桥接Cr原子实现界面，而不是将管固定在形成纳米柱石墨烯中的小孔中。纳米柱在TEM中的电子束照射下呈现动态摆动运动。石墨烯中的孔然后用Cr原子的催化剂进行愈合，但是新形成的富勒烯会自由扩散出去，通过Cr原子保持锚定在石墨烯上。最终，从石墨烯表面释放并立即捕获并锚定到石墨烯边缘，再次通过中间Cr桥连原子。密度泛函理论（DFT）计算有助于更好地了解这三种sp²碳纳米材料的动态和变换方面；石墨烯，单壁碳纳米管和富勒烯。

【图文导读】

图1 显示了动态过程的三个关键阶段

（a）锚定在石墨烯中的小孔的SWNT的顺序显微照片；

（b）孔被愈合并且SWNT已经转化为石墨烯的基底上的锚定的富勒烯；

（c）富勒烯在从基面释放之后锚固到石墨烯边缘；

（d-f）专用掩码对基底石墨烯进行FFT滤波后的图像a至c；

（g-i）基于上述显微照片的棒球模型。

图2 Cr原子锚定到石墨烯中的小孔的SWNT的显微照片

（a）附着在石墨烯孔上的SWNT的显微照片；

（b）通过Cr原子锚定到石墨烯孔的SWNT的图像模拟；

（c，d）分别从原始显微照片（c）和图像模拟（d）的TEM图像中过滤石墨烯后，显示SWNT的晶格结构；

（e，f）Cr原子的互连的SWNT-石墨烯的棒和球模型的俯视图和侧视图。 图e中的插图显示了结构的3D视图；

图3 石墨烯转变成富勒烯过程

（a）相对于时间锚定到石墨烯的SWNT的摆动运动的图；

（b）石墨烯中的孔之前的SWNT被愈合，并且SWNT同时转变成富勒烯；

（c）转化后的富勒烯；

（d，e）b和c中结构的棒和球模型。

图4 Cr原子锚定在石墨烯上的富勒烯的运动

（a）初始图像；

（b，c）单个Cr原子锚定到石墨烯的富勒烯的旋转摆动；

（d-f）两个Cr原子锚定的富勒烯的限制旋转。

图5 锚定的富勒烯在石墨烯上的动态行为：富勒烯的打开并与石墨烯分离

（a-c）HRTEM图像的序列显示富勒烯结构的开放和脱离，在其后面留下铬原子；

（d）HRTEM图像显示了嵌入双层石墨烯空位中的铬原子的键合构型；

（e-h）与图a至d进行比较的图像模拟；

（i-l）棒球模型进行比较。

图6 总能量MD计算仅显示小的能量势垒

（a-h）棒和球模型显示脱离边缘重新附着过程的各个阶段；

（i）富勒烯到石墨烯边缘的最终锚定的能量景观比较。

【小结】

该研究工作展示了丰富的Cr原子和sp²碳纳米结构的活性。Cr原子能够将碳纳米管和富勒烯桥接到石墨烯上，石墨烯中修复孔并同时将碳纳米管转变为富勒烯。这项工作显示了Cr原子通过有效连接不同sp²嵌段（如纳米管，富勒烯和石墨烯）构建异质sp²杂化纳米结构的手段的潜力。总之，电子束照射下Cr原子为sp²纳米结构的构建和转化提供了途径，并扩大了TEM作为纳米生物学应用的可能性。

文献链接： In Situ Electron Driven Carbon Nanopillar-Fullerene Transformation through Cr Atom Mediation（Nano Lette., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01406）

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