攻克!AIST 解决碳纳米管的精准测量难题 | 用户访谈

2023-12-01 14:44:19, HORIBA HORIBA科学仪器事业部


Toshiya Okazaki 博士

来自日本国家先进工业科学技术研究所(AIST),致力于获得质量和产量更稳定的碳纳米管,以达成实际应用等相关的研究。本文是根据对他的采访写成的。

01

什么是碳纳米管?

作为一种新型的理想材料,碳纳米管受到人们的广泛关注。它的重量仅为铝的一半,强度却能达到钢的20倍,抗电流密度也比铜高1000倍。

碳纳米管100%由碳组成,其结构是一层碳原子排列在平面上,并卷成直径小至1纳米(十亿分之一米)的圆管。单层圆管被称为单壁碳纳米管,多层同轴圆管被称为多壁碳纳米管。需要注意的是,这些圆层是不同直径,因而是分层的。

另外,薄片的卷曲程度决定了单壁碳纳米管是“金属”性质还是“半导体”性质。例如,稀有金属“铟”产量有限,目前作为“透明导电膜”被广泛用于 LCD 屏幕和触摸板。铟不仅稀有,而且难以满足未来物联网(IOT)设备组件的拉伸和弯曲需求。因此,碳纳米管作为铟的替代品,其开发引起了研究者们的广泛关注。

此外,硅目前是半导体的主要材料,但预计其在小型化的半导体领域将具有局限性。碳纳米管可以代替硅制造高性能 CPU 和存储器,这项研究正在进行。因为,将现有的工业材料与碳纳米管相结合,可以创造出具有优越功能的新材料。虽然碳纳米管在我们的日常生活中还没有被广泛看到,但目前各领域都在进行相关实际应用的研究。

02

碳纳米管发展和应用的阻碍

在碳纳米管材料制造过程中,为了提高其性能和产率,建立分散方法以及质量评价体系十分必要。

碳纳米管加工前的浆料通常为黑色液体,放大观察时,会发现一根根的碳纳米管在液体中纠缠在一起,很难确定它们的混合状况。当混合状况发生变化时,即使是相同的分散液体,其产物的材料性质也不尽相同。

例如,去年购买的碳纳米管浆料的性能可能与今年从同一供应商购买的不同。也许是碳纳米管的粒径分布不同,亦或者是聚集/分散状态不同,但制造商和用户都无法知晓。目前,碳纳米管材料的开发往往就是在这种情况下进行的,因为质量控制体系尚未建立完整,这阻碍了碳纳米管的快速发展。

03

质量稳定的挑战

碳纳米管通常是以直径为几纳米(nm)的纤维状存在,但很少作为单根纤维使用。相反,它主要在聚合状态下使用,例如与复合材料混合使用。碳纳米管是如何聚集以及每一根是如何在复杂结构中连接的,这些极大地影响了最终材料的物理性能。

因此,了解如何形成和使用这种聚合状态非常重要。也就是说,实际应用中,需要准确分析和评估碳纳米管的状态和大小(在聚集体中纠缠的碳纳米管),这一点至关重要。

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寻求更准确的粒度测量仪器

传统的动态光散射和激光衍射粒度分析仪难以准确测量大范围的粒度,因为在测试过程中,较大颗粒的散射信号较强,会掩盖较小颗粒的弱信号。同时,由于许多不同大小粒子的散射光叠加,导致难以获得高分辨率。

但我们发现离心沉降粒度分析仪可以做到这一点。离心沉降粒度分析仪首先会将颗粒按大小进行分离,然后再进行测量,因此微弱的信号不会被隐藏,并且可以在大范围内获得高分辨率。

为此我咨询了负责 AIST 的 HORIBA 设备负责人,得知离心沉降粒度分析仪(CAPA系列)已经停产。但我不想放弃这个可以解决碳纳米管粒径测量难题的方法,于是再次联系 HORIBA,商讨是否可以再一次开发基于这个原理的分析仪。经过深入的与 HORIBA 研发部总经理和其他高管探讨,离心式纳米粒度分析仪的研发终于再度启动。

我很高兴的是,领导开发离心式纳米粒度分析仪的项目负责人,Tetsuji Yamaguchi 博士,对该项目有着浓厚的兴趣与热情,最后的成果大大超出了我们的预期。我也非常开心看到这这个过程中许多 HORIBA 员工对这个项目付出的努力与帮助。

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HORIBA 碳纳米管性能评测技术

离心式纳米粒度分析仪可以测量的颗粒大小范围很广,并且可以稳定地测量相对较大的颗粒,这使得它测量粒径分布广的样品(例如碳纳米管)具有非常大的优势。

虽然有许多方法可以测量有限的粒径范围,但很难找到一种方法可以同时高分辨率地测量两到三个数量级差异的颗粒。离心式纳米粒度仪(CN-300)采用离心沉降法,根据颗粒大小进行分类,可测定粒径从10纳米到数十微米以上的宽范围样品。

上图是用离心式纳米粒度仪测量商用多壁碳纳米管浆料中碳纳米管的粒径分布。可以看出,样品为单分散的碳纳米管与聚集体的混合物,其中单分散的碳纳米管粒径约为30 nm,聚集体粒径约200 nm。

// CN-300 离心式纳米粒度分析仪

HORIBA CN-300 离心式纳米粒度分析仪不同于传统的粒度分析方法,其内置的高速离心模式(最大离心力可达30000 G)可使大小不同的纳米颗粒得以分离。CN-300 通过检测颗粒经过高速离心后到达检测器的所需时间计算颗粒大小,巧妙规避了样品形状对检测结果的影响。它可以帮助解决不规则球体(如碳纳米管)因形状的不规则导致常规光学分析方法重复性差的难题。

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未来碳纳米管将走进生活

碳纳米管已经被广泛用作锂电池电极的导电助剂和复合材料的填料。除此之外,碳纳米管也可以混合在橡胶垫片中,用于提高耐热性。我认为接下来,可以利用纳米尺寸的碳纳米管相关的量子现象,将其应用到电子领域。

Toshiya Okazaki 博士 

在京都大学科学研究院完成博士学业后,曾担任日本科学促进会(JSPS)研究员和名古屋大学科学研究院(化学)助理教授,并于2004年加入 AIST 碳纳米管应用研究中心,2015年至今担任首席高级研究员。

获奖情况:

2018年获得 AIST 总裁奖;2020年获得日本应用物理学会薄膜和表面物理小组的论文奖。


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