清华大学张莹莹团队《Adv. Mater.》：碳纳米管壁间滑动的机电响应特性及新型柔性传感电子器件

人们对碳纳米管（CNT）的深入研究已有30多年，并将其视为一种极具潜力的用于构建电子器件的功能材料。多壁（含少壁）碳纳米管是由两层或两层以上石墨烯沿中心轴按一定螺旋角卷曲而成的无缝管状结构。由于石墨烯层间滑动摩擦力非常小，碳纳米管的管壁间在微小的外力作用下即可很容易地相对滑动，早在2013年，实验已经验证了其管壁间的超润滑行为（Nat Nanotechnol，2013, 8, 912）。我们可以预测，碳纳米管的管壁间滑动一定会伴随着电学性能的变化，然而，由于实验上的困难，迄今还未有相关的研究结果。一方面，管壁间滑动行为所引起的机电性能的变化规律尚未被揭示；另一方面，该现象在电子器件中的应用潜力尚待开发。

近期，清华大学张莹莹教授团队对碳纳米管管壁间滑动引起的电学性能的变化进行了实验研究，首次揭示了其管壁间滑动行为所引起的线性、可逆的电流变化，采用管壁间电子隧穿模型解释了该现象的工作机理，并基于该现象制作了高精度人机交互界面。研究中采用了超长少壁碳纳米管（FWCNT）作为原材料，该材料具有厘米级宏观长度和低表面缺陷密度，易于被操纵，是研究CNT机电性能和宏观应用的理想材料。此外，超长FWCNT水平阵列可以被转移到其它的柔性衬底上，有被进一步用于新型的柔性电子器件制备的潜力。通过化学气相沉积法制备了超长FWCNT，在光学显微镜下通过探针进行操纵，实现了该类CNT在大气环境下的管壁间滑动，通过原位测量其电学性能，发现了其管壁间滑动行为引起的线性、可逆的电流变化，并提出了管壁间电子隧穿模型解释了该现象的工作机理。为了制作柔性电子器件，还开发了一种丝素蛋白（Silk）辅助的转移超长FWCNT水平阵列的方法，并将转移后的样品封装在弹性硅橡胶（PDMS）中，得到了CNTs@Silk@PDMS（CNT/S/P）可拉伸薄膜。沿CNT轴向方向对该薄膜施加拉伸应力，可诱导实现FWCNT管壁间可逆和可控的滑动，展现出线性和可逆的电流变化，与单根碳纳米管上观察到的机电特性规律一致。以CNT/S/P基传感器为基础，设计了一种智能手套，佩戴该手套可远程控制机械手同步模拟手的各种运动，该机械手控制系统具有远程执行精细和复杂任务的能力，将有望代替人类执行潜在的危险任务，例如处理有毒或易爆材料等，也在医疗保健、虚拟现实和机器人等领域具有潜在的应用。这项工作揭示了碳纳米管壁间滑动的机电响应规律，证明了一维管状材料中的壁间滑动可以应用于新型电子器件的设计。这一新颖的机制可以为未来柔性电子器件的设计提供新的思路。可以预测，这种方案也可以扩展到具有范德华层间相互作用的其他一维管状材料或者二维层状材料。

相关研究以“Inter-Shell Sliding in Individual Few-Walled Carbon Nanotubes for Flexible Electronics”为题发表于《Advanced Materials》上。清华大学化学系2019级博士生王灏珉为该论文的第一作者（已就职于太原理工大学）。北京化工大学吴扬教授参与了合作指导。该研究得到了国家自然科学基金委、北京市科学技术委员会以及国家重点基础研究发展计划的支持。

张莹莹课题组：主要研究面向生命健康监测的纳米碳材料、丝蛋白材料及两者的功能复合材料，发展其在柔性电子器件、智能织物和特种纤维领域的应用。

课题组主页：

www.yyzhanggroup.com

图1 单根少壁碳纳米管在管壁间滑动时的可逆机电特性。

图2  少壁碳纳米管管壁间滑动时的电子隧穿模型。

图3  FWCNT阵列的完美转移和CNTs@Silk@PDMS (CNT/S/P)薄膜的结构。

图4 CNT/S/P薄膜拉伸时的形貌变化和机电响应特性。

图5  基于CNT/S/P薄膜柔性传感器的远程机械手控制。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202306144

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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