楊 鵬 檀付瑞 張 靜 金赫華 李紅波,* 劉春華,* 李清文
(1合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,合肥230009;2中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,江蘇蘇州215123)
單壁碳納米管(SWCNTs)是一種獨(dú)特的分子級(jí)一維納米材料,可以看作是石墨烯繞中心軸沿著卷曲矢量卷曲而成的無(wú)縫空心管.SWCNTs的直徑和螺旋形等結(jié)構(gòu)特征可由手性矢量(Ch)唯一確定,手性矢量用Ch=na1+ma2(n,m)的形式來(lái)表示,其中a1和a2為石墨烯層六角網(wǎng)格的基矢,n和m均是整數(shù),不同的卷曲角度和曲率,即(n,m)決定了SWCNTs的不同性質(zhì).1根據(jù)電子能帶計(jì)算結(jié)果,具有不同卷曲結(jié)構(gòu)的SWCNTs按照導(dǎo)電屬性的不同可分為半導(dǎo)體型(s)-SWCNTs和金屬型(m)-SWCNTs兩大類.2m-SWCNTs具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,是理想的導(dǎo)線和電極材料.3而s-SWCNTs具有優(yōu)異的電子遷移率,在傳感器、電子器件、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)等方面有著良好的應(yīng)用前景.4-6但是目前通過(guò)常規(guī)生長(zhǎng)方法只能夠制備兩種不同導(dǎo)電屬性的混合物,這將極大地阻礙它們?cè)诟叨丝萍碱I(lǐng)域的應(yīng)用,如何得到高效的m/s分離對(duì)SWCNTs在電子及光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用是極其重要的.
凝膠柱色譜法被廣泛應(yīng)用于分離各種小分子天然有機(jī)化合物和蛋白質(zhì)核酸等生物高分子.7,8而SWCNTs可以看作是碳的高分子形式,它的結(jié)構(gòu)與脫氧核糖核酸(DNA)有許多相似之處,比如直徑小于2 nm,長(zhǎng)度都在幾百納米到幾微米范圍內(nèi).從生物分離中得到了啟發(fā),凝膠柱色譜法被創(chuàng)造性地應(yīng)用于SWCNTs的分離.李紅波等9也闡述了這種操作簡(jiǎn)單、成本低、分離效果好的分離技術(shù)引起了大家廣泛關(guān)注,并且有望成為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的有效方法之一.在2006年,Arnold10和Heller11等使用Sephacryl S500凝膠色譜柱,將1%膽酸鈉(SC)水溶液分散的SWCNTs進(jìn)行淋洗,可得到不同長(zhǎng)度和直徑的碳管.2009年,Moshammer等12通過(guò)改變SWCNTs的表面特性和凝膠的孔徑(Sephacryl S200),獲得了m/s分離的SWCNTs.與此同時(shí),Kataura等13,14用瓊脂糖凝膠(Sepharose 2B),獲得了高純的m-和s-SWCNTs.最近,Kataura課題組15和我們課題組16利用小孔徑的Sephacryl凝膠,分別利用分散液連續(xù)淋洗或者用二元表面活性劑梯度淋洗的方法,獲得了窄直徑分布和單一手性的SWCNTs.
凝膠柱色譜法是根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)具有不同的尺寸和形狀或者是根據(jù)物質(zhì)與多孔填料之間的作用力不同實(shí)現(xiàn)分離的,這兩種途徑都可控制目標(biāo)物質(zhì)通過(guò)多孔凝膠柱的方式和保留行為.因此,多糖凝膠的孔徑尺寸范圍和化學(xué)結(jié)構(gòu)將很大程度影響有機(jī)化合物和大分子的流動(dòng)和分離.17凝膠色譜法是分離一維納米材料的一種新途徑,13,14到目前為止很少人注意SWCNTs的流動(dòng)性依賴于凝膠的性能.在這篇文章中,重點(diǎn)研究了凝膠孔徑尺寸和化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)m-和s-SWCNTs在多糖凝膠中的流動(dòng)和保留行為和對(duì)m-/s-SWCNTs分離的影響,進(jìn)而闡述了實(shí)現(xiàn)高選擇性和高純度m-/s-SWCNTs分離的關(guān)鍵因素.
采用純化后的HiPCO SWCNTs(Lot No.P0276,Carbon Nanotechnologies Inc.,TX),十二烷基硫酸鈉(SDS,純度99%,Sigma-Aldrich公司)作為分散劑,SDS和脫氧膽酸鹽(DOC,純度99%,Sigma-Aldrich公司)分別被用于淋洗m-和s-SWCNTs.葡聚糖凝膠(Sephacryl S100,S300,S500,GE Health公司);葡聚糖(Sephadex G100,Sigma公司);交聯(lián)瓊脂糖凝膠(Sepharose 2B,Sigma公司);交聯(lián)瓊脂糖和葡聚糖的共聚凝膠(Superdex 200,GE Health公司)六種糖基凝膠用作填料.柱色譜內(nèi)徑為1 cm,所有溶液均用二次去離子水配制.超聲分散和表征設(shè)備:超聲波細(xì)胞破碎儀(XL 2000,美國(guó)Misonix公司),多功能臺(tái)式高速離心機(jī)(Allegra X 22R,美國(guó)BECKMANCOULTER有限公司),紫外-可見(jiàn)-近紅外(UV-Vis-NIR)分光光度計(jì)(Lambda 950,美國(guó)PerkinElmer公司),紫外-可見(jiàn)-分光光度計(jì)(Lambda 25,美國(guó)Per-kin Elmer公司),場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(FESEM)(Quanta 400 FEG).
準(zhǔn)確稱取1.2 mg SWCNTs放入玻璃樣品瓶中,隨后加入4 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的SDS水溶液,配成0.3 mg?mL-1SWCNTs溶液,用超聲波細(xì)胞破碎儀在4 W功率條件下超聲2 h后,在20 kg離心力下離心6 h,吸取上層清液用于分離.分別取Sephacryl S100,Sephacryl S300,Sephacryl S500,Sephadex G100,Sepharose 2B和Superdex 200凝膠若干毫升,用去離子水抽濾洗滌5次除掉乙醇后填入六根色譜柱中,使凝膠在柱內(nèi)自然沉降一段時(shí)間,凝固后的凝膠在色譜柱內(nèi)高度均為7 cm.將六根色譜柱分別用1%SDS水溶液常壓潤(rùn)洗2 h后再加壓潤(rùn)洗1 h,隨后將SWCNTs初始分散液各1 mL分別加入這六根色譜柱中.待SWCNTs分散液全部浸入凝膠后,用1%SDS和0.25%DOC依次淋洗,收集洗出液,并記錄分離所用的時(shí)間.
為了確定s-/m-SWCNTs分離的結(jié)果,將原始分散液和兩次淋洗出的組分進(jìn)行UV-Vis-NIR吸收光譜表征.UV-Vis-NIR吸收光譜被記錄在Perkin Elmer Lambda 750上,用水做空白樣.用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(FESEM)(Quanta 400 FEG)測(cè)得SEM圖.
為了研究SWCNTs在多孔凝膠中的流動(dòng)特性,我們選擇三種具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)和凝膠顆粒大小,不同孔徑尺寸的Sephacryl S100,S300和S500凝膠進(jìn)行對(duì)比研究.一般來(lái)說(shuō),凝膠孔徑的范圍用球蛋白的分離范圍來(lái)確定的,成正比關(guān)系.這三種凝膠的分離范圍(球蛋白)分別為1-100,10-1500,40-20000 kDa,它們的孔徑尺寸范圍都在5-200 nm之間.如圖1(a)所示,Sephacryl S100、S300和S500三種凝膠具有相似的紅外光譜譜圖,在1657和1528 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)酰胺鍵結(jié)構(gòu)中C=O和N―H的平面振動(dòng),說(shuō)明具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu),都是N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺的葡聚糖交聯(lián)結(jié)構(gòu).圖1(b)是這三種Sephacryl凝膠顆粒的FESEM圖,可以看出具有不同的表面形態(tài)和孔徑,孔尺寸范圍大小順序?yàn)?S100 圖1 Sepharcryl S100,S300和S500顆粒的紅外光譜圖(a)和FESEM圖(b)Fig.1 Infrared(IR)spectra(a)and field emission scanning electron microscope(FESEM)images(b)of Sepharcryl S100,S300,and S500 particles 向三根色譜柱加入1 mL SWCNTs初始分散液,待全部滲入凝膠后,用1%SDS溶液和0.25%DOC溶液依次淋洗,收集洗出液并記錄時(shí)間.圖2是在填有三種Sephacryl凝膠的色譜柱中添加了SDS分散的SWCNTs、SDS淋洗以及DOC淋洗過(guò)程中SWCNTs表現(xiàn)出不同流動(dòng)性的比較.不同電子結(jié)構(gòu)的SWCNTs具有不同的顏色,18當(dāng)用不同淋洗條件淋洗時(shí),很容易看出SWCNTs不同的移動(dòng)情況.首先將分散的SWCNTs各取1 mL,加入到這三根色譜柱中,SWCNTs分散液滲入到凝膠中后呈現(xiàn)出不同的顏色分布和擴(kuò)散長(zhǎng)度.在S500色譜柱中,SWCNTs會(huì)快速地向下擴(kuò)散,沒(méi)有顏色上的區(qū)別,都呈灰黑色.而在S100和S300色譜柱中,滲入凝膠的SWCNTs明顯呈現(xiàn)出不同的上下兩層顏色,上層凝膠呈暗綠色,下層是紅棕色.當(dāng)我們加入1%SDS溶液淋洗時(shí),兩個(gè)色譜柱下層的紅色溶液開始移動(dòng),收集了紅棕色的洗出液.而在裝有S500色譜柱中,灰黑色的樣品隨著SDS淋洗液向下移動(dòng),貫穿了整個(gè)色譜柱,我們收集了灰黑色的洗出液.最后使用DOC溶液淋洗,在S500柱中,由于第一次淋洗時(shí)大部分碳管已被洗出,第二次淋洗出來(lái)的SWCNTs濃度很低.而在S100和S300柱頂部保留的樣品開始緩慢向下移動(dòng),并且S100柱中的顏色比S300柱中的深,但擴(kuò)散的范圍比S300的小.在SWCNTs滲入凝膠和用表面活性劑淋洗時(shí),SWCNTs的流動(dòng)行為表現(xiàn)出如此大的不同,反映出SWCNTs在多孔凝膠中的移動(dòng)特征,表明SWCNTs在多孔凝膠中移動(dòng)時(shí),凝膠孔徑尺寸起到了重要作用. 已有的研究結(jié)果表明,當(dāng)用SDS分散SWCNTs時(shí),SDS分子吸附在碳管表面,并且根據(jù)SWCNTs的直徑和手性差異,具有不同的表面堆積密度.19,20大管徑的SWCNTs比小管徑的SWCNTs表面堆積的SDS密度大,使得小管徑SWCNTs與凝膠之間的作用力比大管徑SWCNTs與凝膠的作用力強(qiáng).此外,溶液中過(guò)多自由的SDS分子趨向與SDSSWCNT作用,形成更加穩(wěn)定的膠束結(jié)構(gòu).21,22上面所述說(shuō)明SWCNTs被SDS和DOC兩次淋洗表現(xiàn)出不同的流動(dòng)行為是與凝膠孔徑有關(guān)的.我們推測(cè):當(dāng)用比較弱的淋洗劑SDS進(jìn)行淋洗時(shí),SWCNTs與大孔徑尺寸的S500凝膠之間的吸附力很小,吸附在凝膠孔洞中的SWCNTs很容易自由流動(dòng),被淋洗劑洗脫出來(lái);而對(duì)于孔徑較小的S100和S300凝膠,不同結(jié)構(gòu)的SWCNTs在和凝膠中具有不同的吸附力,一部分SWCNTs可以通過(guò)凝膠洗脫出來(lái),而另一部分SWCNTs留在凝膠中,需要用更強(qiáng)的淋洗劑(DOC)才能被洗脫出來(lái). 圖2 單壁碳納米管在S100,S300和S500中滲透淋洗時(shí)分離過(guò)程的照片F(xiàn)ig.2 Sequential photographs of SWCNT permeation and elution during sample loading in Sephacryl S100,S300,and S500 gel column 圖3(a)是SWCNTs的初始分散液以及1%SDS溶液淋洗出來(lái)的SWCNTs的吸收光譜圖和溶液光學(xué)照片.初始分散液是一個(gè)典型的單分散HiPCOSWCNTs的吸收曲線,對(duì)于HiPCO-SWCNTs,m-SWCNTs的第一范霍夫(Van Hove)奇點(diǎn)之間躍遷所需的能量比較大,該躍遷引起的吸收峰EM11一般在400-600 nm范圍內(nèi),而s-SWCNTs的Van Hove奇點(diǎn)之間躍遷所需的能量ES11在950-1350 nm范圍內(nèi),ES22通常在550-900 nm范圍內(nèi).同SWCNTs初始分散液的吸收光譜相比,在S100和S300色譜柱中經(jīng)1%SDS淋洗出的紅棕色SWCNTs溶液表現(xiàn)出明顯減弱的ES22和ES11半導(dǎo)體性特征吸收帶以及增強(qiáng)的EM11金屬性特征吸收帶,說(shuō)明主要富集了m-SWCNTs.然而,對(duì)于S500色譜柱,第一次收集淋洗溶液的吸收光譜和SWCNTs初始分散液的吸收光譜很接近,只有在ES11小波數(shù)(950-1050 nm)的吸收峰有輕微的降低,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)m-和s-SWCNTs的分離.圖3(b)是繼續(xù)用DOC溶液從三根色譜柱中淋洗出來(lái)的SWCNTs吸收光譜圖.從S100和S300凝膠色譜柱中收集的SWCNTs溶液都是綠色的,表現(xiàn)出明顯減弱的金屬性特征吸收帶以及增強(qiáng)的半導(dǎo)體性特征吸收帶,說(shuō)明富集的是s-SWCNTs.但是從S500凝膠色譜柱中收集的組分濃度很低,吸光度很小,為了便于觀察比較,我們將吸收光譜的數(shù)值擴(kuò)大了4倍,可以看出s-SWCNTs小直徑區(qū)域的吸收峰有些增加.經(jīng)過(guò)計(jì)算,第一步SDS洗脫時(shí),從S100凝膠中淋洗得到的m-SWCNTs的純度高達(dá)95%,從S300凝膠洗脫的m-SWCNTs純度達(dá)到80%-90%,并且第二步DOC洗脫時(shí),從兩個(gè)柱中淋洗出的s-SWCNTs的純度均大于90%. 圖3 單壁碳納米管初始分散液以及Sephacryl S100,S300,S500色譜柱中淋洗出溶液的吸收光譜和光學(xué)照片F(xiàn)ig.3 The normalized optical absorption spectra and optical images of the pristine SWCNTs and collected SWCNT fractions from Sephacryl S100,S300,and S500 gel columns 從上述結(jié)果可以看出,在結(jié)構(gòu)相同孔徑依次增大的Sephacryl S100、S300、S500三種凝膠中,孔徑最小的S100分離出的m-和s-SWCNTs純度最高,而大孔徑的S500卻不能實(shí)現(xiàn)分離.說(shuō)明凝膠孔徑對(duì)分離SWCNTs的結(jié)果和純度有很大的影響,是提高分離純度的一個(gè)關(guān)鍵因素. 除了Sephacryl凝膠,其它的多糖凝膠如瓊脂糖(Agarose)和交聯(lián)瓊脂糖(Sepharose 2B)也能夠進(jìn)行SWCNTs的m/s分離.13,14但到目前為止還沒(méi)有人研究凝膠結(jié)構(gòu)對(duì)SWCNTs流動(dòng)性和m/s分離的影響.我們選用了分別與Sephacryl S系列孔徑尺寸相近但結(jié)構(gòu)不同的多糖凝膠(Sephadex G100、Superdex 200和Sepharose 2B)進(jìn)行了SWCNTs流動(dòng)性和m/s分離的對(duì)比研究.表1是六種凝膠分離范圍、化學(xué)結(jié)構(gòu)、分離碳管時(shí)淋洗時(shí)間和分離純度的比較.Sephadex G100與Sephacryl S100的孔徑尺寸相似,但是Sephadex G100帶有更疏水的環(huán)氧丙烷基團(tuán).將樣品加入Sephadex G100色譜柱后,與圖2中Sephacryl S100分離情況有明顯差異.SWCNTs在Sephadex G100凝膠中快速擴(kuò)散,使用SDS溶液淋洗時(shí),SWCNTs遍布整個(gè)色譜柱,并且快速流出,在圖4(a)中,我們可以看到兩步淋洗出來(lái)的SWCNTs溶液與初始分散液的吸收光譜沒(méi)有明顯的差異,無(wú)法進(jìn)行SWCNTs的m/s分離.有趣的是,孔徑范圍相近的Superdex 200和Sephacryl S100,兩種凝膠都可以有效地分離SWCNTs,但是Superdex 200色譜柱淋洗m-和s-SWCNTs的移動(dòng)速度比Sephacryl S100色譜柱慢很多,SWCNTs在凝膠中表現(xiàn)出不同的流動(dòng)特性.由于這三種凝膠都具有相同的葡聚糖結(jié)構(gòu),只是帶有不同的官能團(tuán),碳管不同的流動(dòng)特性表明多糖中交聯(lián)的官能團(tuán)對(duì)碳管的吸附起到了很重要的作用.根據(jù)碳管在凝膠中的滯留時(shí)間,我們推測(cè),SDS-SWCNTs與三種凝膠官能團(tuán)之間的作用力大小順序是:瓊脂糖>雙丙烯酰胺官能團(tuán)>環(huán)氧丙烷官能團(tuán).我們也比較了具有類似孔徑范圍的Sepharose 2B和Sephacryl S500兩種凝膠,發(fā)現(xiàn)碳管在交聯(lián)瓊脂糖結(jié)構(gòu)的Sepharose 2B中也表現(xiàn)出了較長(zhǎng)的滯留時(shí)間,暗示有較強(qiáng)的吸附力. 從圖4(b,c)中的吸收光譜來(lái)看,與初始SWCNTs分散液相比,Superdex 200和Sepharose 2B凝膠中由1%SDS洗脫的SWCNTs組分表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的金屬特征峰而半導(dǎo)體特征峰幾乎沒(méi)有,說(shuō)明富集了高純度的m-SWCNTs;第二步0.25%DOC溶液洗脫的SWCNTs組分表現(xiàn)出明顯增強(qiáng)的半導(dǎo)體特征峰,但是金屬特征峰只有一定程度的減弱,表明所富集的s-SWCNTs中還混有少量的m-SWCNTs.我們認(rèn)為:對(duì)于瓊脂糖改性的凝膠,由于與SWCNTs的作用力過(guò)強(qiáng),在使用SDS淋洗時(shí),一部分m-SWCNTs也保留在多孔凝膠中,因此降低了s-SWCNTs的分離純度,但是對(duì)分離出高純度的m-SWCNTs是有益的.例如,與Sephacryl S100和S300凝膠相比,雖然用Superdex 200凝膠分離出來(lái)的s-SWCNTs純度不高,但可以獲得高純度的m-SWCNTs.此外,由于Sepharose 2B和Sephacryl S500具有相似的孔徑范圍,交聯(lián)瓊脂糖Sepharose 2B可以實(shí)現(xiàn)一定的m/s分離而Sephacryl S500則不能,也意味著在凝膠柱色譜技術(shù)分離SWCNTs過(guò)程中,多糖凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)比孔徑尺寸發(fā)揮了更大的作用. 表1 各種多糖凝膠以及用1%SDS和0.25%DOC兩步淋洗得到的溶液各種性質(zhì)對(duì)照Table 1 Comparative properties of various polysaccharide gels as well as the corresponding sorting results of SWCNTs by a two-step elution with 1%SDS and 0.25%DOC solutions 圖4 初始單壁碳納米管分散液以及1%SDS和0.25%DOC兩步淋洗得到的分離溶液的歸一化光吸收光譜圖及光學(xué)照片F(xiàn)ig.4 Normalized optical absorption spectra and optical images of the pristine SWCNTs and collected two fractions by a two-step elution with 1%SDS and 0.25%DOC solutions 從表1上看,我們選用的六種凝膠的顆粒尺寸對(duì)分離的影響不大.比如,Sephacryl三種凝膠顆粒尺寸范圍都是25-75 μm,S100和S300能夠得到很好的分離效果,而S500不能.比較Sephadex G100和Sepharose 2B也可以得到上述結(jié)論. 我們認(rèn)為多糖凝膠色譜柱分離SWCNTs是基于吸附機(jī)理的,柱色譜分離時(shí),展現(xiàn)出不同的流動(dòng)性和分離結(jié)果,是因?yàn)榫哂胁煌瑢?dǎo)電屬性的SWCNTs被SDS包裹程度不同,進(jìn)而影響與凝膠之間的吸附作用力.大直徑的m-SWCNTs表面覆蓋的SDS密度大,與凝膠之間的作用力弱,很容易隨著淋洗液向下流動(dòng).小直徑的s-SWCNTs表面覆蓋的SDS少,滲入小孔內(nèi)部后與多孔凝膠產(chǎn)生強(qiáng)有力的吸附作用,使s-SWCNTs選擇性的保留在凝膠中.孔徑較小的Sephacryl S100和S300凝膠由于具有較大的比表面積,能夠充分地吸附SWCNTs,將不同結(jié)構(gòu)的SWCNTs與凝膠之間吸附力的差異體現(xiàn)出來(lái),大孔徑凝膠比表面積小,與m-和s-SWCNTs的作用力都很弱,因而小孔徑凝膠的分離效果更好.帶有瓊脂糖結(jié)構(gòu)的Sepharose 2B和Superdex 200凝膠與SWCNTs的作用力太強(qiáng),不僅會(huì)保留小直徑s-SWCNTs,還會(huì)留住一些大直徑的m-SWCNTs,導(dǎo)致s-SWCNTs分離純度降低.所以凝膠結(jié)構(gòu)和孔徑尺寸共同影響SWCNTs的分離效果和純度.在影響SWCNTs流動(dòng)性和分離結(jié)果的諸多因素中,適當(dāng)調(diào)控凝膠的結(jié)構(gòu)和孔徑尺寸是提高分離效率和純度的關(guān)鍵步驟. 當(dāng)用SDS分散SWCNTs時(shí),SDS包裹在SWCNTs表面形成膠束,會(huì)調(diào)控碳管表面性能,進(jìn)而影響SWCNTs在多孔凝膠中的流動(dòng)性以及分離結(jié)果.我們系統(tǒng)地研究了多糖凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)和孔徑尺寸對(duì)凝膠柱色譜法分離SWCNTs以及流動(dòng)性的影響.多孔凝膠與s-SWCNTs之間有較強(qiáng)吸附作用力,選擇性地保留住s-SWCNTs,進(jìn)而通過(guò)兩步表面活性劑淋洗的方法分離出m-和s-SWCNTs.在Sephacryl系列凝膠中,與大孔徑的S500相比,小孔徑S100和S300凝膠具有較大的比表面積,對(duì)s-SWCNTs的吸附力較強(qiáng),能夠很好地分離出m-和s-SWCNTs.帶有環(huán)氧丙烷官能團(tuán)的葡聚糖凝膠與SWCNTs的作用力很弱不能分離SWCNTs.瓊脂糖結(jié)構(gòu)的凝膠與SWCNTs的作用力最強(qiáng),而帶有氨基官能團(tuán)的葡聚糖凝膠對(duì)SWCNTs選擇性最好.這些都說(shuō)明了吸附機(jī)理在碳管分離中的作用,也說(shuō)明了在SWCNTs選擇性分離時(shí),凝膠結(jié)構(gòu)和孔徑尺寸起到了非常重要的作用.因此,選擇合適結(jié)構(gòu)和孔徑的凝膠,對(duì)于分離出高純度的m-/s-SWCNTs是極其重要的. 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3.3 凝膠結(jié)構(gòu)對(duì)SWCNTs流動(dòng)性和分離的影響
4 結(jié)論