低维材料的设计、构筑及其性能调控是理论和实验研究中的前沿热点。除了在合成过程中控制材料本征参数（维度、化学组成等）外，外界参数也是改变材料的电子、振动和磁性等特性的强大手段。特别地，压力可以改变原子间距离及其静电相互作用，影响电子轨道和成键模式，进而改变材料的电子性质。但是传统的高压设备从外部产生压力，难以精确施加到单个分子，同时会消耗大量的机械能。

化工系魏飞-陈晓团队最近报道了一种利用碳纳米管（CNT）内部的化学反应进行自增压的方法，通过限域在CNT内部的NbSe₃的脱硒反应合成了等效圆直径<2.31 nm的超小单层NbSe₂扁平纳米管。该方法产生的压力达到4-17 GPa，比碳纳米管之间的剪切强度大三个数量级，能够锁定内部的NbSe₂扁平纳米管，防止相对滑移。低温电学测量结果表明，CNT内部的巨大压力增强了材料的电子相关性。一维NbSe₂@CNT异质结表现出拉廷格液体行为，并具有比纯CNT更高的隧穿指数（）。该研究提出了一种新的化学自加压方法，为制备新构型材料和调节电子-电子相互作用开辟了思路。

研究团队通过在10 vol.% H₂/Ar气氛中对NbSe₃@CNT进行退火（873-973K）处理，合成了超小单层NbSe₂扁平纳米管（如图1所示）。扫描透射电镜表征结果显示，NbSe₂结构的关键特征是截面为由Se-Nb-Se三明治重复单元组成的椭圆形。侧视图中，在短轴投影方向的中心位置观察到区别于简单双层堆叠的额外原子。主轴投影方向观察到2H和1T两种NbSe₂块体的典型堆叠模式，而边缘不同的原子排列说明了曲率变化。因此，端视和侧视方向的实验和模拟图像共同验证了全新的NbSe₂无缝扁平管状结构。退火过程CNT内部的NbSe₃原子发生移动和重排生成NbSe2，实验发现NbSe2存在各向异性生长行为，并对CNT施加不对称压力。反过来，由超强C-C键组成的CNT会自发收缩以抵消内部膨胀，进而对其内部加压（内部压力为4-12 GPa）。

图1 NbSe₂@CNT的原子结构表征

魏飞团队发现该体系巨大的内部压力会改变非键相互作用。实验测得的NbSe₂扁管最外层Se原子与CNT的间距比理论值缩短12.5-30.0%，导致了指数级增长的范德华相互作用。电学测试结果展示，NbSe₂@CNT具有类似于CNT的拉廷格液体行为，但其在2-10K下的隧穿指数为0.32，显著高于CNT（）和NbSe₃@CNT ( )，证明该体系中极强的电子-电子相互作用。

图2 低温电学测试

相关成果以“化学驱动的自增压碳纳米管内的超小单层NbSe₂扁平纳米管”（Ultrasmall single-layered NbSe₂ nanotubes flattened within a chemical-driven self-pressurized carbon nanotube）为题，近日在线发表在国际著名期刊《自然∙通讯》（Nature Communications）。清华大学化工系魏飞教授和陈晓副研究员为文章的共同通讯作者，化工系2019级博士生江雅馨为文章的第一作者。论文的其他重要合作者还包括中科院物理所应天平研究员，化工系2019级博士生熊昊、2020级博士生田果。该项工作得到鄂尔多斯实验室、清华-丰田联合研究基金、科技部、国家自然科学基金项目等项目支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44677-y