Friday, September 14, 2007

碳纳米管化学纪事(七)

【按:作者本人的研究经历从时间上基本上从第(六)部分切入,即使尽量客观,但未免主观性会比前五章大大提高 -(六)引起各位的有趣争议便是明证。今后章节主观性会更甚之,所以还请列位看官们各自心里有数,发现不恰当之处,砖头大可随便砸将来。上次的争论搁置一旁,为简便起见,除非特殊情况或另有所指,我下面描述功能化的碳管溶液/悬浮液/分散体系时,将统统用“溶液”一词表示。】


(七)战斗 part 2 - 疑虑

期碳管化学(主要指端基/缺陷羧基功能化) - 特别是溶剂化(solubilization)化学遇到最严重的怀疑其实并非是“溶液”还是“悬浮液”还是“分散体系”的争论,而来自这透明带颜色的溶液本身 - 这里面的溶质到底是什么?

为什么会有这样的问题?听我细细道来。

在制造方法仍远未成熟的当年,从炉子里掏出来的单壁碳管粗产物本身十分垃圾,长短不齐和大小不均倒是其次 - 这纳米管自己永远的问题后面再说 - 最讨厌的是粗产物里总是有无定形碳和通常包含着金属的碳粒(或者叫碳葱,碳纳米颗粒...)。对于多壁管,在CVD法还未普及时,刚开始时用做功能化的起始物则主要是从电弧法而来 - 这粗产物里虽然没有金属,但是含有大量的让人头疼之极的碳葱 - 它们和多壁管几乎同样稳定(溶剂化产率还极低)。

化学法的酸煮和空气的“选择性”氧化也好,物理法的过滤、离心、色谱也好,化学物理法的排列组合也好,什么都试过了,效果终究是不理想。很多筒子都“昧着良心”凭着一两张电镜照片吹嘘自己的管子纯度在95%以上,然而彼此的心里大概都心照不宣。

由于纯化工艺本身就是门大学问,所以碳管化学的发展实际上和前者的发展是同步进行的。这样一来,那时大部分做单壁碳管化学的科学家们通常都用最简便的“纯化”方法 - 稀硝酸煮上一两天。稀硝酸一是能够大致除去不少无定形碳,同时能够消灭裸露的金属(被碳层包住的就继续存在着),二是能够在碳管两端和表面缺陷处引入含氧官能团 - 主要是羧基(有时用盐酸后处理以加强羧基的形成)。这样的“纯化后”的管子便可以拿来做功能化了。

大家这里注意一点:“纯化后”的管子叫"purified nanotubes"而不叫"pure nanotubes",为什么?因为所谓"purified",意思就是管子经过纯化而已,至于到底纯不纯("pure"),那就是“天晓得”了。所以,我们一听到有人说"pure nanotubes"的时候,浑身总是会长满鸡皮疙瘩。
事实上,这"purified nanotubes"里不但有羧基-碳管,其实还有羧基-(包含金属或不包含金属的)碳葱和羧基-无定形碳。既然大家都是碳,那么直觉上讲,当然小的东西 - 无定形碳和碳葱类 - 会更容易反应了。

这里要说明一点:那时不但功能化反应手段和后处理(溶剂萃取)过程不成熟,各种表征办法也完全不成熟(考虑到转行做碳管化学的筒子们很多都是做有机化学的)。功能化和溶剂化(functionalization and solubilization)的实验通常只有少量的起始物被“溶解”(soluble fraction),而会留下大量“不溶解组分”(insoluble residue)。通常,由于功能化分子的“吸附”作用,“不溶解组分”的质量甚至会比起始物更高,直接的化学计量完全没有意义(此时热失重法测量管子含量还未被采用)。

既然小的垃圾们比大的管子们更容易反应,而且最后“不溶解组分”又那么多,那么回到本章开始的问题:这透明带颜色的溶液本身 - 这里面的那一点点溶质到底是什么?
照说碳管的拉曼光谱是很有特点的 - 特别是单壁管独特的RBM (radial breathing mode)特征峰。然而,有垃圾存在的碳管溶剂化后出现的强烈的荧光干扰(是从垃圾还是碳管自己来的这另外再谈)让RBM甚至G-band/D-band (这俩峰多壁管都有)的识别都同样出现很大的困难。其实唯一拿得出手的实验证据其实只有单壁管的近红外特征峰(参见Haddon博士的1998年Science之作);而倒霉的多壁管则完全没有这样的特征峰。

“那就用显微镜呗。”您肯定会说。

可是由于(1)功能化效率低(溶剂化产率低;产物溶液量少、浓度低),(2)垃圾们(无定形碳和碳粒,还有用作功能化的未反应的分子)的大量存在,因此彼时的透射电镜/原子力显微镜下是满目疮痍,完全找不到数量上有意义的碳管(大约被埋在垃圾堆里)。当年的显微镜照片基本上都是:

  • “Look!Look!有根管子!看见了没?”
  • “我看,我看 - 哪儿呢?哪儿呢?”
  • “这儿哪!”
  • “靠,还挺像。”

当年(~2000年),包括我在内的部分筒子们便因为过不去“眼见为实”这道关而被活活卡住了。“碳管真的能够被溶解吗?还是只有无定形碳和碳粒在你的过程中被溶解了?”审稿人们这样不断质疑的时候,我们也开始怀疑起自己来。

我们突然发现:原来,自己的疑虑才是我们最大的敌人和最重要的斗争对象。

(未完待续)

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