中国科学院物理研究所王恩哥研究小组和德国合作伙伴在日前出版的美国《科学》杂志上报告说，他们研制出了锥状结构的碳纳米管，并且发现这种结构的碳纳米管具有特殊的物理化学性能，可能会在扫描探针显微学、场电子发射器件和纳米加工领域有广泛应用。
研究发现碳纳米管是一种轴向机械强度非常好的材料，然而由于其直径上下一样纵横比非常高，所以在径向上的柔韧性会使碳管不稳定，从而给一些应用带来问题；而且碳管不同的卷曲方式也会导致不同的手性。科学家通过分析多壁碳管的电子束衍射数据，发现同一根管中不同层的手性没有规律可循，只有很少数的一些石墨层可能具有相同的手性。但理论计算和实验结果都证明，石墨层的手性是决定纳米管的电子结构及其性质的关键因素。因此，如何提高纳米管的径向稳定性并控制其手性一直是科学家面临的难题。
王恩哥研究小组利用微波等离子体辅助化学气象沉积方法，以铁针尖作为基底合成了一种新的锥状纳米结构材料。为了进一步确定这种结构，他们与德国夫琅和夫研究所合作进行电镜研究。结果发现这种纳米结构的外形呈多棱锥状，锥的中心是一个空管，锥的顶部直径为２纳米－２０纳米，而底部直径可达到１微米，他们将这种新纳米结构称之为管状石墨锥。王恩哥说，因底部尺寸可以从纳米到微米之间进行控制，因此可利用现有的微加工技术对管状纳米锥进行直接操作，而这是目前其它碳纳米管操作不能做到的。
他们在论文中指出，管状石墨锥与相同长度的碳纳米管相比，一方面它的锥体结构大大增强了其径向机械强度，另一方面它的顶部尺寸在几个纳米以内，所以它是理想的扫描探针的针尖和场发射材料。同时这项研究另一个重要突破是他们发现这种管状石墨锥所有的石墨层具有全同的手性，这是科学家第一次报道对类纳米管状结构手性实现控制。
这项新的研究成果在国内外引起了广泛的重视。德国、英国和美国的学术媒体先后进行了大量的报道。专家们指出这种管状碳纳米锥除了在扫描探针显微学、场电子发射器件和纳米加工领域将有许多应用外，由于它的可操作性也将使其在生物和化学等领域有广泛的应用前景。例如，利用管状石墨锥的直径在几个纳米到几十个纳米之间，可以作为储存和输运液态物质的通道，甚至可以用它做成纳米注射器，从事纳米水平的细胞修复和改性研究。目前王恩哥小组正在利用管状石墨锥制备纳米机械压头，准备开展纳米水平上的硬度研究。
据悉，该项研究工作得到了中国科学院知识创新工程、国家自然科学基金委员会“创新研究群体”基金、重点基金，以及国家科技部“９７３”和“８６３”项目的资助。
摘编自《科学网》