碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，具有优异的电子、机械、力学等性能，在高迁移率晶体管、逻辑电路、太阳能电池和催化剂载体等多个领域有潜在应用价值。在过去的20余年，科学界共同见证了碳纳米管领域的蓬勃发展，无数的科技工作者在该领域倾注了大量的心血，也取得了诸多令人振奋的成就。随着人们对碳纳米管的生长机理、制备方法、性能与应用的认识不断加深，碳纳米管的产业化应用也随之发展起来。目前，随着碳纳米管产业的工艺多样化、高效化、低成本化，使其应用领域不断向纵深发展，将会在未来形成巨大的商业价值。
结构决定性能，制备决定未来。碳纳米管直径和手性的多样性使其具有丰富的结构调控空间，这就使得碳纳米管的控制制备在碳纳米管的基础研究和产业化应用中成为至关重要的一环。
《碳纳米管的结构控制生长》一书正是在此背景下编写而成，内容涵盖碳纳米管的基本结构、性质、制备及应用，重点围绕碳纳米管的控制生长展开，力图从碳纳米管生长机理的基础科学问题层面，给碳纳米管领域的青年学子、研究者和企业家提供参考和指南，助力碳纳米管领域的进一步发展。
张锦，北京大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、英国皇家化学学会会士、中组部“万人计划”创新领军人才入选者、科技部重点研发计划项目负责人。1997年获兰州大学和北京大学联合培养理学博士学位，1998年至2000年在英国利兹大学从事博士后研究，2000年5月到北京大学化学与分子工程学院工作至今，2006年晋升为教授。迄今为止在Nature，Nature Materials 等SCI刊物上发表论文260余篇。获得国家自然科学奖二等奖和全国优秀博士学位论文指导教师等奖项。
张锦教授的研究团队自2000年起致力于单壁碳纳米管的控制制备和谱学研究。近20年的辛苦耕耘，历经研究组50余名博士后/研究生的集体智慧和不懈奋斗，在单壁碳纳米管的化学气相沉积法控制制备方面积累了丰富的经验，并在单壁碳纳米管的定向生长、金属/半导体选择性生长、手性控制制备和拉曼光谱表征等方面取得了一系列重要突破。
张莹莹，清华大学化学系副教授、博士生导师。2007年在北京大学化学与分子工程学院取得博士学位，2008年至2011在美国Los Alamos国家实验室从事博士后研究，2011年7月起任职于清华大学。曾承担国家优秀青年科学基金、面上基金和科技部重点研发计划等科研项目。主要针对纳米碳材料和丝蛋白材料的制备科学、物理与化学性能开展研究，在此基础上，开发其在器件、能源、环境等领域的应用。迄今为止发表学术论文80余篇，包括以通讯作者发表的Nat Nanotechnol，Nat Commun，Adv Mater，JACS，Nano Lett 等，获授权发明专利10项。曾荣获中国化学会纳米化学新锐奖（2014年），入选中组部“万人计划”青年拔尖人才（2016年）和教育部“青年长江学者”（2017年）。
《碳纳米管的结构控制生长》按照碳纳米管基本概念知识、性质及表征手段、化学气相沉积技术、水平和竖直碳纳米管阵列的形貌控制的次序展开，试图对化学气相沉积系统中的关键技术问题和碳纳米管生长机理层面的基础科学问题进行全面探讨。
丰富的碳纳米管结构和表征手段
第1章至第2章首先介绍了碳纳米管基本的几何结构和电子结构。其次展示了碳纳米管优异的性质，包括高杨氏模量和强度、高电子和空穴迁移率以及高稳定性等。最后结合最新的研究成果，对碳纳米管结构和性质的表征方法和策略进行归纳和总结：不仅关注较为传统的STM、SEM、TEM以及AFM等微纳技术，也将目光投向大面积、快速识别的新型光学表征手段。
第3章详细讲述了当前碳纳米管制备最广泛采用的化学气相沉积技术。化学气相沉积技术作为目前最广泛制备材料的系统之一，具有可调参数丰富、易操作、应用范围广等优点。本章中除了介绍化学气相沉积原理及关键技术参数外，还特别关注了碳纳米管的化学气相沉积制备中相应的催化剂制备方法、碳纳米管生长模式和过程设计，强调了催化剂在碳纳米管生长过程中的核心作用。
化学气相沉积系统和碳纳米管生长
第4章到第6章，分别讲述了基于化学气相沉积系统的三种碳纳米管聚集体的控制制备，包括水平阵列、竖直阵列以及其它宏观聚集体。水平阵列的制备离不开一个平板基底的支撑作用，定向作用可以来自于晶格、气流以及电场。在竖直阵列制备中，关心更多的则是壁数控制、密度等问题。为了适应更多的应用领域，不同维度的碳纳米管宏观体可以利用不同的方法来制备获得。作者通过收集最新的研究成果，阐述从微观到宏观、对碳纳米管进行多尺度形貌调控与制备的科学原理。
不同碳纳米管宏观组织体的生长
第7章主要涉及从性质和结构两个层面实现碳纳米管的控制制备。在性质方面，需要对金属型和半导体型单壁碳纳米管的进行选择性生长或者发展相应的分离方法等；在选择性生长方面，选择性低、密度差是当前最需要解决的问题；而后处理的分离方法，尽管能够提供较高纯度样品，但在后期应用上面临杂质去除等问题。在特定手性结构控制方面，特别关注了催化剂形态对碳纳米管成核热力学和生长动力学的影响，以及无催化剂的碳纳米管克隆。尽管这些方法目前还不能完全满足对碳纳米管结构控制制备的需求，但是了解和认识这些方法，不仅能够加深对碳纳米管生长的理解，同时也可能启发碳纳米管精准合成、尤其是在手性控制层面的新思路和新方法。
碳纳米管性质和结构控制的策略和科学问题
第8章总括全书，归纳了不同的应用领域对碳纳米管的不同需求，总结了碳纳米管的控制制备方法，并展望了不同控制制备方法的未来策略，提出了将精细结构控制和宏量制备相结合的方式是推动碳纳米管走向真正应用的“制备决定未来”之路。
碳纳米管的控制制备发展策略
中国科学院院长白春礼院士题词
探微索纳，格物致知。祝愿大家驰骋在碳纳米管研究领域，享受探索的乐趣，发掘碳纳米管蕴含的巨大潜力，使其更好地服务于人类与世界！
本文摘编自张锦，张莹莹著《碳纳米管的结构控制生长》。
碳纳米管的结构控制生长
张锦，张莹莹 著
（低维材料与器件丛书）
责任编辑：翁靖一
北京：科学出版社
ISBN 978-7-03-058521-9
长按二维码 购买本书
更多精彩 敬请关注目录
延伸阅读
（本期编辑：安 静）
一起阅读科学!
科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm
专业品质 学术价值
原创好读 科学品味
更多好素材，期待您的来稿