２００２年化学科学重大进展（续） （上接第37期A15页）
（上接第37期A15页） 三、纳米科学
三、纳米科学有机官能团增强碳纳米管溶解性碳纳米管在电子和材料领域具有重要的应用前景，但它在水和大多数普通有机溶剂中的溶解性很差，限制了它的应用，该问题急待解决。意大利Trieste大学的科学家Prato等人发现，在纳米管上附加有机官能团能增强其在有机溶剂和水中的溶解性，该作用可用来净化纳米管。研究中进行1种Prato反应，通过氨基酸和乙醛浓缩液攻击纳米管从而实现功能化，被攻击的大官能团的性质是纳米管溶解性的关键所在。如果纳米管能在溶液中自由活动，它在电子和材料方面巨大的潜在应用就很容易实现。但是圆柱形纳米管具有很强的不溶性，它们容易团聚在一起，形成难以处理的绳索状。科学家们试图利用强大的外力解决这个问题，使用高强度超声波使纳米管松散，然后通过化学官能团的作用避免纳米管之间相互连接，大大推动了该领域的研究进展。如Trieste大学的研究使纳米管的溶解度达到了50mg/mL，远远高于以往的报道。[J. Am. Chem. Soc., 124, 760 (2002); C&EN, Feb. 4, page 12] [J. Am. Chem. Soc., 124, 14318 (2002)]淀粉包埋法增强碳纳米管水溶性美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家们发现，事先利用淀粉分子包埋纳米管，可使其溶于水溶液中。由于碳纳米管的长度及其他性质，它的不溶性使得对于碳纳米管的清洁和分离都十分困难，此外还很难对其表面进行化学改造以及开发其他应用。最近几年化学家们开发了包括化合与非化合方法在内的几种方法，来对单壁纳米管（SWNTs）进行功能化以改善其溶解性。其中1种非化合方法就是保留纳米管独有的物理性质，然后用聚合物链包裹纳米管。该研究证明，合成的聚合物能改变纳米管的化学特性从而使其溶于有机溶剂。研究人员利用原子显微镜对干的淀粉化SWNTs进行了表征，图象显示出小的纳米管束隐藏在无组织排列的淀粉下。研究发现被淀粉包埋的SWNTs的水溶液可以稳定数周，如果添加淀粉葡萄糖苷酶在10min内就会发生快速沉淀，该酶可以使淀粉发生水解。这些发现表明，在一般条件下利用现有的淀粉化合物清洁SWNTs是1种比较廉价的新方法。该方法首先将不纯的SWNTs溶于含有淀粉-碘化物的水中，通过离心过滤除去不溶杂质，再煮沸溶液，沉淀出淀粉包埋的纳米管，然后被淀粉包裹的SWNTs重新溶入水中，加入淀粉葡萄糖苷酶，最后通过过滤、水洗分离出沉淀的纳米管。[Angew. Chem. Int. Ed., 41, 2508 (2002); C&EN, July 15, page 38]阿拉伯树胶有效分散碳纳米管巴勒斯坦和以色列的研究人员发现使用阿拉伯树胶可以将纳米管束分离成单个的管子，并且将它们分散在水溶液中。阿拉伯树胶是1种复杂的多糖，作为乳化剂、稳定剂和增稠剂等广泛用于食品和饮料中。以色列的研究人员将阿拉伯树胶溶于水中，然后加入含有碳和金属杂质的纳米管，然后用超声波轻轻震荡该混合物（这样可以不破坏管子）。经过这一过程会得到均相的墨水状悬浮液，且可稳定数月。该悬浮液干燥后还可用水进行再生，其中的阿拉伯树胶可以通过灼烧除去，而且不会影响纳米管的性质。利用X射线和透射电镜对实验结果进行表征，发现阿拉伯树胶分子可以吸附在纳米管束上，在超声波震荡时，被吸附的聚合物链之间具有排斥力，可以阻止单个纳米管重新聚集在一起。从热力学角度看，一旦这个排斥屏障建立后，单个纳米管的分散比较稳定。单个的纳米管比纳米管束具有更好的机械和电子性能，而且对它们的处理也更容易，它还是制造许多纳米合成物的首选。例如吸附在纳米管上的阿拉伯树胶有助于管子粘附在聚合物上，从而生成强度更大、更坚固的纳米管-聚合物复合物。[Nano Lett., 2, 25 (2002)]单糖促进SWNTs溶解复杂的聚合糖分子能通过非共价键的作用影响SWNTs的溶解以及它在水中的扩散，简单的单糖也会通过共价键的作用产生同样的影响。法国Oklahoma大学的学者利用葡萄糖胺证实了这一点，这种天然氨基糖可用来治疗骨关节炎，近几年受到了广泛关注。葡萄糖胺在水中极易溶解，而且含有容易附在SWNTs上的胺官能团。该研究首先按标准步骤制成了含有酰基氯化取代物的SWNTs，该取代物与糖的胺官能团反应从而形成了1个氨基化合物的键。人们发现附着的葡萄糖胺单元可以使纳米管溶解在水中，所得溶液在数周内保持半透明、均一，通过这一现象可以判断纳米管的溶解情况。虽然附有葡萄糖胺的纳米管溶解性要小于葡萄糖胺本身的溶解性，但与已报道的在有机溶剂中被功能化的SWNTs溶解性相比仍要好一些。研究人员介绍说，利用该方法还可以将纳米管与DNA序列相连接，这将对癌细胞中的蛋白质有特定的约束。将细胞毒素嫁接到纳米管上的方法提供给人们1种“导弹”的构思，就是利用该方法导向目标，追踪癌细胞然后破坏它们。目前利用天然水溶聚合物包覆法处理不易溶的纳米管方面仍有许多引人注目的思路。该方法可以在达到生物适应性且环境友好的条件下保留纳米管的物理性质。研究人员坚信他们将会发现更多的天然聚合物如蛋白质、核酸等，可以用来将碳纳米管溶解在水中。[Nano Lett., 2, 369 (2002)]（包佳琨 编译）（未完待续）