通过分子动力学模拟实现高质量碳纳米管的高产量温度控制合成

《ACS Applied Nano Materials》：Molecular Dynamic Simulations of the Temperature-Controlled Synthesis of High-Quality Carbon Nanotubes at High Yields

碳纳米管（CNTs）因 chirality 依赖特性成为功能材料研究热点，但高温合成中产量与质量矛盾突出。通过分子动力学模拟发现高温生长中存在 lift-off 与 encapsulation 结构互转现象，其封装概率由热驱动与催化帽尺寸共同调控。设计分阶段温度策略：先低温成核稳定管-催化剂界面，再高温缺陷消除生长，模拟显示无缺陷 CNTs 产率提升近两倍。揭示了热力学与动力学竞争机制，为工业化合成提供理论指导。

　　

碳纳米管（CNTs）因其手性依赖性而成为一种具有前景的功能性材料。然而，产量与质量之间的矛盾始终是一个难以解决的问题。在高温下合成无缺陷的碳纳米管时，不可避免地会牺牲产量。为了解决这一挑战，我们进行了分子动力学（MD）研究，观察了碳纳米管在高温生长过程中的不同结构形态（如脱离基底的结构和被包覆的结构）之间的转换现象，并发现包覆概率受到热量和纳米管末端尺寸的双重影响。基于这一理解，我们设计了一种分阶段温度控制策略：首先在较低温度下进行碳纳米管的成核，以稳定管-催化剂系统，然后再升高温度以实现无缺陷的生长。通过分子动力学模拟，该策略使无缺陷碳纳米管的产量提高了近两倍。这项工作为理解生长过程中的缺陷形成机制提供了更深入的见解，并为碳纳米管的产量优化提供了指导。