近日，本课题组的研究论文《Solvent Effects on the MechanicalEnhancement of Wet-Drawn Carbon Nanotube Assemblies》被ACS Nano接收。论文共同第一作者为习艾可、汪菲，通讯作者为清华大学化工系张如范副教授。
宏观碳纳米管聚集体（CNTAs）展现出优异的机械、电学和光学性能，其性能源于单个碳纳米管的内在结构特性，具有广泛的应用潜力。尽管湿拉伸技术已成为优化CNTAs结构的主流工艺，但其作用机制的微观本质尚未被充分阐明。本研究通过粗粒化分子动力学（CGMD）模拟，从介观尺度揭示了溶剂对湿拉伸过程中CNTAs结构演化及其机械性能的影响。研究发现，能量参数ε与组装强度呈现显著的火山曲线关系，其中ε值与溶剂浸润过程的总能量变化呈正相关，是决定溶剂润湿行为的关键因素。进一步研究表明，ε值的增加会导致拉伸阶段碳纳米管取向熵下降，而在溶剂蒸发阶段则诱导取向熵的线性上升，这种动态竞争机制正是火山曲线关系的物理本质。通过五种不同能量参数溶剂的实验验证，所观测的机械强度、电导率及偏振拉曼性能变化趋势与理论预测高度吻合。本工作不仅建立了基于能量参数ε的溶剂选择理论框架，更通过多尺度研究揭示了微观分子相互作用与宏观性能提升的关联机制，为高性能CNTAs材料的定向制备提供了新的见解。
图1. 强度与能量参数ε之间的火山曲线关系。
图2. 能量参数ε对溶剂润湿过程的影响
图3. 火山曲线关系的物理机制
图4. 最大应力时能量参数ε与组装体结构参数的关系
图5. 模拟结果的实验验证分析
该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。ACS Nano是美国化学会旗下的顶级期刊，专注于纳米材料领域的前沿研究成果。
