浙大等团队联合攻克顶级原子级材料合成三十余年难题，成果登《科学》

IT之家 7 月 18 日消息，浙江大学今日宣布，该校机械工程学院原子级材料制造实验室项荣教授团队联合大连理工大学、西湖大学、苏州实验室、北京大学及日本大阪大学、东京大学等国内外合作单位首次实现 TMDC 纳米管的手性可控合成，选择性获得扶手椅型纳米管，一举攻克了横亘该领域三十余年的核心挑战。据介绍，一维过渡金属二硫化物（TMDC）纳米管因 1D 量子限域效应、范霍夫奇点等独特量子现象，展现出特殊的力学、光学与电子学性质，理论上具有广阔的应用前景。1992 年，TMDC 纳米管被科学家首次发现。TMDC 是一个成员庞大的材料家族，二硫化钼、二硫化钨、二硫化锡等都属于此类。然而，手性可控合成这一核心难题，自该类材料诞生起便始终困扰学界，三十余年来未获根本性突破，领域整体还停留在“能成功合成就算有进展”的初级阶段。团队发现，以氮化硼纳米管作为模具，让 TMDC 在模具的空心通道里生长，能够做到以前从来没有人能做到过的事情，即实现 TMDC 纳米管特定手性构型的选择性合成。以二硫化锡为例，以此法合成的“扶手椅型”TMDC 纳米管占比最高可以达到 84%。二硫化钼、二硫化钨用该方法，也同样能呈现出明显的扶手椅型偏好。“这个发现颠覆了领域的认知。我们第一轮投稿时提供了 50 组数据，但因为这个结果太令人意外了，50 组数据没有办法完全说服审稿人。”浙江大学机械工程学院“百人计划”研究员郑永嘉表示，“于是我们开始 72 小时连轴转，由三个人接力，人歇机器不歇，一口气采集了 300 组数据。这 300 组数据和前面 50 组的结论完全一致，最终让审稿人接受了这个看似不可能的结论。”经过热力学、动力学等原理分析，团队认为 TMDC 会优先在氮化硼纳米管这个模具的内壁生长出一条锯齿形纳米带。随后，在模具的限域作用和管壁振动下，锯齿型纳米带通过层间滑动、边缘闭合，进一步卷成扶手椅型的纳米管。与此同时，团队利用原位透射电子显微镜实时拍摄到了纳米带卷成纳米管的全过程，证实了该机制的可靠性，实现了从理论模拟到仪器观测的闭环验证。扶手椅型的 TMDC 电子有效质量更低，载流子迁移率更高，天生适合做纳米级晶体管、高速电子器件等产品。这一关键机制的发现为后续 TMDC 的手性选择合成指明了方向。相关成果被国际顶级期刊《科学》接收，并于北京时间 7 月 17 日凌晨以 First Release 形式在线优先发布。IT之家附论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeh1429