时隔11个月，上海交通大学（以下简称上海交大）教授史志文团队与合作者再发顶刊。

去年4月，实验室里诞生了一项革命性的成就：世界上最长、性能最佳的石墨烯纳米带。这一突破性成果在《自然》杂志上发表，标志着科学界的一大飞跃。今年3月，他们再次取得重大进展，首次成功制备出排列紧密、手性一致的单壁碳纳米管阵列。这一成果不仅实现了碳纳米管从无序生长到有序排列的转变，更是在《科学》杂志上引起了广泛关注。这一系列创新不仅展示了科研团队的卓越能力，也为未来的材料科学开辟了新的可能性。

“这一成果标志着我们向单晶梦想迈出了坚实的一步。”史志文的发现被三位国际审稿人誉为“极具价值，可能对整个领域产生深远影响”。他们一致认为这项工作“创新性突出、冲击力强，文章质量上乘，完全有资格登上《科学》杂志。”在谈及发表顶级期刊的经验时，史志文强调：“重大科学发现固然是研究的核心，但论文的精心打磨同样不可或缺。”他在接受《中国科学报》记者采访时，一边介绍这项研究的背景和意义，一边分享了自己打磨论文的心得体会。

排列整齐、手性一致的单壁碳纳米管

攻克30年难题

自1991年碳纳米管的发现以来，它们便被预言为未来计算机芯片的革命性材料。这种直径仅1纳米的一维材料，以其卓越的电子迁移率超越了传统硅材料，为制造更微型、快速且节能的晶体管开辟了新天地。为了实现其在实际应用中的潜力，必须将无数碳纳米管以高度有序的方式排列，以增强其一致性和效能。 尽管如此，目前的主要制备方法——受控化学气相沉积和后生长技术组装——均存在显著缺陷。前者面临手性不均的问题，而后者则因表面活性剂和聚合物的使用导致纯度不足。两者还共同面临着碳纳米管的捆绑和排列混乱问题。全球科学家正致力于解决这些限制碳纳米管集成电路应用的关键挑战。北京大学彭练矛院士团队在这方面取得了突破性进展，他们通过纯化处理将随机生长的碳纳米管纯度提升至99.99%以上，并成功实现了在集成电路中的应用。同时，张锦院士和李彦教授通过采用特制的生长基底或催化剂，将碳纳米管的手性单一度提高至90%以上。这些成就被史志文誉为“非常了不起的工作”，并在《中国科学报》上获得高度评价。

探索如何培育出排列紧密、具有单一手性且能承受高电流密度的半导体碳纳米管阵列，一直是全球科学家面临的挑战。史志文教授及其团队采用原子级平整的六方氮化硼作为基底，利用其超润滑特性，成功在基底上直接生长出规律排列、手性一致的单壁碳纳米管自组装阵列，实现了这一领域科学家们30多年的梦想。“氮化硼基底的超平滑特性让生长出的碳纳米管能在基底上自由滑动，并自组装成高度有序的结构。”史志文教授在接受《中国科学报》采访时表示，“这种方法不仅攻克了碳纳米管生长过程中的结构控制难题，还实现了手性高度一致的阵列。”

在史志文团队的突破性研究中，他们揭示了碳纳米管在氮化硼基底上的奇妙行为。这些纳米管仿佛变成了一根根轻盈的“面条”，在基底上自由地弯曲和折叠，创造出“桥梁”、“单行道”、“玉佩”以及“操场跑道”等多样的阵列图案。史志文解释道：“当碳纳米管在光滑基底上滑动时，遇到障碍物会巧妙地转弯，凭借它们之间的范德华力相互吸引并紧密贴合。由于每根碳纳米管的结构和性质都是均匀一致的，因此自组装形成的阵列结构也保持了这种一致性，每一段平行排列、紧密相邻的碳管都具有相同的结构和手性。”这一发现不仅展示了碳纳米管的独特行为，也为未来的材料科学和纳米技术开辟了新的可能性。

碳纳米管折叠后自组装形成的不同形状

在器件性能领域，我们的团队与中国科学院物理研究所的张广宇研究员团队携手合作，取得了令人瞩目的成果。我们共同研发的碳纳米管阵列晶体管展现出非凡的性能：载流子迁移率惊人地达到了2000平方厘米每伏每秒，开关比高达107，远超业界普遍认可的105至106的标准。此外，开态电流密度约为1.2毫安每微米，这一指标甚至优于硅基电路发展路线图中对未来数年的预期。这些突破性的进展不仅证明了碳纳米管阵列晶体管的巨大潜力，也为未来电子器件的发展指明了方向。

“好运气”与“精打磨”

在碳纳米管领域的三十多年探索中，史志文教授和他的团队意外发现了一项革命性的突破。他们大胆采用六方氮化硼作为基底，与碳纳米管结合，这一创新尝试带来了一系列令人兴奋的新材料：性能卓越的超长石墨烯纳米带和单一手性密排碳纳米管阵列。史志文教授笑着说：“科学研究中，运气扮演着重要角色。有时候，好运能让我们发现许多新奇事物；而运气不佳时，可能数年都难以取得进展。”这一发现不仅展示了科学探索中的不确定性，也凸显了团队勇于尝试、敢于创新的精神。

史志文团队

运气并非无端降临，史志文坚信，勇于尝试前人未涉足的领域才是成功的关键。他比喻道：“这就如同挖矿，你必须勇于探索那些无人问津的领域，才更有可能发掘出珍贵的宝藏。”史志文强调，在科研的道路上，导师只能指引大致的方向，告诉学生哪里可能藏有“金矿”，但能否真正发现宝藏，则完全取决于学生自身的努力和洞察力。他满怀感激地提到自己的学生们：“他们总能敏锐地捕捉到新的价值点，并在后续研究中展现出非凡的努力。”2022年，陈佳俊博士（论文共同一作兼共同通讯作者）首次观察到碳纳米管自组装形成密排阵列的现象，这一发现让整个课题组都为之振奋，预感到这将是一次重大的科学突破。史志文团队的博士生张智淳在接受《中国科学报》采访时回忆道。到了2023年7月，陈佳俊博士毕业后，张智淳、陈一和沈沛约（均为论文共同第一作者）接过了项目的接力棒。他们坚持不懈的努力最终使团队实现了碳管阵列的稳定产出，并取得了令人瞩目的重大突破。

要将这一重大发现刊登于顶尖学术期刊，吸引更多同行的目光，研究团队面临着一项挑战。史志文指出：“卓越的科研成果需要经过精心雕琢。”他所说的“雕琢”，意味着去粗取精。通过精确的数据和图像，以最直接、简洁的方式揭示科学发现的真面目。在他们的研究中，有一幅看似平常的图像——数十根碳纳米管整齐排列的横截面图，宛如被利刃切割的空心面条，却蕴含着深刻的科学意义。

整齐排列的碳纳米管阵列的横截面图

获取这幅图的难度，堪比攀登珠穆朗玛峰。史志文向记者透露：“人的头发丝直径约50微米，而单个碳纳米管直径仅为头发丝的万分之一。”由于碳纳米管极其微小，在宏观层面上几乎无法辨认单个碳管，更不用说检测其整齐排列了。在透射电子显微镜下寻找样品，犹如在浩瀚大海中寻找针尖，而且要捕捉到碳管的环状结构，电子束必须与样品管子方向完全平行。想要观测到整齐的碳管阵列横截面，其难度不亚于古人穿越蜀道。起初，陈佳俊在上海交通大学分析测试中心连续奋战数日，却一无所获。团队随后寻求更专业人士的帮助。然而，在与两个合作团队研究近一年后，问题依然悬而未决。最终，在浙江大学材料系教授金传洪及其团队的协助下，凭借他们在碳纳米管成像技术方面的丰富经验，我们终于获得了理想的图像。“光是为了得到这幅图，我们团队就耗费了近两年的时间。”史志文告诉记者。

团队成员不仅进行了大量实验，积累了丰富的实验数据，还通过尖端的扫描探针技术揭示了碳管的完美排列和一致取向。拉曼光谱进一步证实了碳管直径的均一性，而瑞利光谱则揭示了碳管手性结构的一致性，从而确凿无疑地证明了阵列中碳管之间的高度一致性。此外，为了深入理解碳纳米管在六方氮化硼上的自组装机制，团队与武汉大学的欧阳稳根教授合作，进行了深入的理论探索。他们对碳纳米管的生长过程、自组装的原因以及摩擦力和范德华作用力的影响进行了细致分析，并最终构建出了完善的理论模型。这一成就不仅为最初的科学发现提供了坚实的科学依据，而且在2024年10月底提交至《科学》杂志后，迅速通过了审稿流程，并在短短四个多月后顺利发表。这一过程中，团队没有补充任何额外数据，这得益于他们在前期就已经进行了充分的准备和打磨。

“做点不一样的，做点新的”

"碳纳米管的生长从无序到有序的飞跃，不仅为深入探究其基本物理特性提供了理想平台，也为科学家揭示其量子特性打开了新视野。史志文指出，这项突破性研究在半导体器件，尤其是芯片制造领域，为碳纳米管的应用带来了革命性的希望。尽管成果备受赞誉，史志文也坦言，要将碳纳米管阵列投入实际应用，还需克服两大挑战：一是促进碳纳米管的持续生长；二是深入掌握其性能机制，实现对自组装过程的精确控制。他设想，如果能将单根碳纳米管的长度扩展至毫米、厘米甚至米级，并将其折叠成阵列，那么碳纳米管的潜力将不可限量。一旦大规模制备技术得以突破，凭借其卓越的电学性能，碳纳米管有望成为下一代芯片材料的领跑者，引领集成电路向更小尺寸、更高频率、更低能耗的未来迈进。 史志文回忆起在中国科学院物理研究所攻读博士学位时导师王恩哥院士的教诲：“做点不一样的，做点新的”。他认为团队之所以能取得重大发现，关键在于选择了与众不同的研究路径。如今，他希望将这一创新精神传递给学生和更多人，鼓励他们在科研道路上不断探索、勇攀高峰。"

史志文团队聚餐

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