MIT研究团队最新成果——碳纳米管三维微结构制备方法

麻省理工学院的John Hart等人开发了一种新方法，可以基于表面上生长的碳纳米管制备表面三维阵列。通过在基底上打印不同类型的图案，这种技术可以制备很多种类的复杂三维形状。

碳纳米管三维阵列

利用这种方法可以制备出新奇的三维微结构。这些基于碳纳米管自组装形成的微结构表面表现出很多有用的性质，例如可控的机械刚度和强度，或者在一定方向上的疏水的能力。麻省理工学院机械工程系副教授John Hart说，这些复杂的表面微结构的机械性质可以被单独控制，这个结果最近刚发表在《自然·通讯》杂志上。

    在这些图片中，初始打印的图案在左上角，接着是根据它们制备的单独结构的扫描电子显微镜的图片，最后是这些结构的阵列图片。分别是：A扭曲，螺旋桨形状； B外向型半圆图形； C薄壁结构变形形成的类似卷轴的结构； D弯曲形状的波浪结构。

该项技术是通过诱导碳纳米管弯曲生长来实现的。宏观上，这种结构需要某种材料的扩展、生长速度比另一个快。但在这个新方法中，材料弯曲的产生是通过化学反应实现的。这种方法具体是在基底上打印两种类型的图案：一种是碳纳米管的催化剂；另一种是调制纳米管生长速度的材料。通过调控这两个模式，研究人员表明纳米管可以弯曲成预测的形状。

制备这些小结构的原理与制备得到的碳纳米管结构。左边是一个简单的弯曲例子，右边是通过多个碳纳米管弯曲形成的结构与方法。

“我们可以指定这些简单的二维指令，导致碳纳米管形成三维复杂形状”哈特说。相邻的碳纳米管结构具有不同的生长速率，它们互相牵拉，导致他们形成更复杂的三维结构。这是一个新的利用力学原理控制纳米材料生长的方法。以前很少有大规模的生产过程能达到这种创建三维结构的灵活性，哈特说。他补充说，这种技术是有吸引力的，也因为它可以用来同时创建大范围的结构；并且每个结构的形状可以通过设计起始模式来指定。这项技术还可以通过附加各种涂料控制其他属性，如电导率和热导率以及化学反应活性。“如果你在生长过程后修饰这些结构，您可以精确的修改其属性”，哈特说。例如，使用原子层沉积的方法来沉积陶瓷，可以控制这些结构的力学性能。“当较厚涂层沉积时，我们可以获得一个相对于其密度具有杰出的刚度，强度，韧性的表面”哈特解释道，“当较薄涂层沉积时，这种结构具有柔性和弹性。”

这种方法也可以高保真的复制某些植物和动物的皮肤上的错综复杂结构，也可以大量生产具有特定性质的表面，比如一些具有防水和粘附昆虫的能力的表面。我们感兴趣的是控制这些基本属性的大规模制备技术，哈特说。并且具有碳纳米管的耐用性，这能让他们在严酷的环境下生存，并可被连接到电子产品和机械或化学信号的传感器。宾夕法尼亚大学的工程学和应用力学副教授凯文•特纳机械说这种方法非常新颖，因为它可以制备复杂的三维微观结构(组成)的碳纳米管。传统的精密加工方法，如图形化和刻蚀，通常只允许制造简单的三维结构，本质上是二维模式的简单扩展。特纳补充说，“一个特别令人兴奋的方面是这项工作是由碳纳米管结构构成的，碳纳米管具有理想的机械，热，和电性质。”

除了哈特，研究小组还包括剑桥大学的Michael de Volder；密歇根大学的客座博士生Sei Jin Park和前麻省理工学院博士后，现在伊利诺伊大学香槟分校的Sameh Tawfick。这项工作是由欧洲研究委员会，国防高级研究计划局和美国空军科学研究办公室支持的。