中文摘要：

碳纳米管有序组装体系的途径设计、结构调控和组装机制是其实现微器件构建亟需解决的基础科学问题之一。我们前期的研究结果表明，限域条件下浮游催化化学气相沉积获得的碳纳米管可自组装形成规则有序的多面体结构。申请课题拟研究碳纳米管在三维空间限域条件下原位自组装的规律特征:采用微电子机械加工技术（MEMS）设计不同构型的可开启微通道，考察微通道的化学组成、空间构型、尺度大小与碳纳米管结构参数及其组装体之间的构效关系；通过分段和动态监测等技术手段揭示催化剂、碳纳米管与基底表面之间的相互作用机制，诠释限域空间下催化剂的分布、碳纳米管的生长组装动力学过程等基本科学问题；研究碳纳米管特征组装体的电化学性能，探索其在生物分子识别和电分析领域中的应用。课题的实施将有助于开辟限域空间调控的碳纳米管原位组装新途径，丰富碳纳米管自组装理论，为基于碳纳米管的微器件构建提供有价值的基础数据。

结论摘要：

纳米材料组装体的研究和开发极大地丰富了纳米材料的种类和应用领域。碳纳米管有序结构体系的形成使其作为宏观整体在传感器、纳米电子器件等许多重要的领域发挥了独特的作用。本项目采用浮游催化体系，探讨了不同微限域环境下碳纳米管的原位控制组装，得到了多种具有规则几何结构的碳纳米管组装体；利用多种技术对纳米碳管组装体的形貌、结构进行了系统表征，探讨了碳纳米管的组装机制，并对组装体在电化学分析领域的应用进行了探索研究。主要研究结果如下 1．立体微通道内原位自组装构筑碳纳米管规则多面体结构。以微机械加工（MEMS）技术设计Au/SiO2基片并构筑可开启/封闭型微通道反应器，观察到碳纳米管的奇异自组装现象，制备得到了微米尺度下具有规整多面体形貌的碳纳米管多级组装体系。微通道内碳纳米管多面体生长进程显示其遵循底部生长机制。 2. 在平面限域环境下利用毛细管作用力耦合碳纳米管层层生长特征可控组装泡沫炭体系。以规则几何构型的定向碳纳米管为基体材料，通过液体润湿过程形成的毛细管作用力和碳纳米管之间的范德华力，获得了碳纳米管为基本单元的高密度泡沫炭材料；将毛细管作用力与层层生长技术顺序耦合，根据碳纳米管与不同基体之间结合力大小的差异，构筑了多种碳纳米管组装体系；探讨了毛细管作用力下碳纳米管的组装机制。 3．浮游催化体系下碳纳米管原位自组装构筑炭微米管和硅纳米线自组装氧化硅组装体。采用改进浮游催化化学气相沉积技术，通过在碳纳米管的生长反应过程引入二氧化碳并调控催化剂浓度，在硅基底上获得了以碳纳米管为基本单元的微米尺度的管状结构，揭示了浮游催化作用下碳纳米管初级生长过程中的多级自组装特征；采用三氯化铁为催化剂，硅片既为硅源又做基板，制备得到了不同结构和形貌的氧化硅组装体。 4．研究了碳纳米管组装体在电化学分析中作为电极材料的应用基础，初步探索了应用于电化学检测识别多巴胺和半胱氨酸等生物分子的可能性。 5. 生物质基碳纳米管在限域模板中的生长和组装。分别以从玉米秸秆中提取的木质素、纤维素和半纤维素为原料，阳极氧化铝和介孔硅为模板，采用液相浸渍的方法制备了碳纳米管阵列，实现了废弃生物质的高附加值利用。 6. 石墨烯基纳米复合材料的绿色制备及其作为超级电容器电极材料的研究。采用原位合成技术，充分利用Hummers法制备的氧化石墨和锰盐，制备得到了石墨烯/氧化锰复合纳米材料并展现了良好的电容性能。