碳納米管（carbon nano tube）又稱(chēng)巴基管bucky tube，是由單層或多層石墨片圍繞中心軸以一定螺旋角卷曲而成的無(wú)縫碳納米管。碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電學(xué)和熱學(xué)性能，在微觀尺度上，單根碳納米管的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到200GPa，是碳鋼的100倍，而密度只有1/7~1/6彈性模量是鋼的五倍；電導(dǎo)率可達(dá)108S·m-1，其載流能力比銅高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

1991年，日本 s S.當(dāng)李吉瑪研究C60的實(shí)驗(yàn)時(shí)，她不斷改變C60的形成條件，并在陰極石墨上發(fā)現(xiàn)了一些針狀物質(zhì)，這些物質(zhì)在電極的某些部分傾向于成束生長(zhǎng)。1993年，S.李吉瑪在電極中加入鐵作為催化劑，在氬氣保護(hù)下放電和起弧，制備了單壁碳納米管。

碳納米管按碳原子數(shù)可分為單壁和多壁碳納米管，其制備方法主要有電弧放電法、催化裂解法、激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法，其中裂解催化分解法是目前應(yīng)用最廣泛的方法。

碳納米管已經(jīng)應(yīng)用于電子學(xué)、材料、航空、催化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，比如用碳納米管吸收波、它具有高折射率，可用作隱身飛機(jī)中的隱身材料；它還可以利用其良好的熱性能，并可以添加到火箭固體燃料中，以提高燃燒效率。

碳納米管可以根據(jù)碳納米管中碳原子的數(shù)量來(lái)制備、結(jié)構(gòu)特性、是否含有管壁缺陷、形狀一致性和整體形狀和方向被分類(lèi)。根據(jù)石墨烯片的數(shù)量，可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管；根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為三種類(lèi)型：扶手椅型碳納米管、鋸齒碳納米管和手性碳納米管；根據(jù)管壁是否存在缺陷，分為完好的碳納米管和有缺陷的碳納米管；根據(jù)外觀和整體造型的統(tǒng)一性，可分為直管式、碳納米管束、Y型、蛇型等；按取向可分為取向碳納米管和非取向碳納米管。

碳原子層數(shù)

單壁碳納米管

單壁碳計(jì)量管的典型直徑為0.6~2nm，直徑分布范圍變小，缺陷少，高度均勻。與多壁碳納米管相比，單壁碳納米管價(jià)格昂貴且制備困難。

多壁碳納米管

多壁碳納米管的最內(nèi)直徑小至0.4nm，可達(dá)數(shù)百納米，典型管徑2~100nm目前，多壁碳納米管常用于復(fù)合材料。多壁碳納米管和單壁碳納米管的比較如下。

矢量方向

根據(jù)矢量方向，碳納米管可分為扶手椅型、鋸齒和手性碳納米管。碳納米管的手性指數(shù)(n,m)與其螺旋度和電學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)，習(xí)慣上n ≥ m。

扶手型碳納米管：當(dāng)碳納米管的手性指數(shù)(n,m)當(dāng)滿足n=m時(shí)，稱(chēng)為具有手性角的扶手椅型碳納米管(螺旋角)為30℃。

鋸齒型碳納米管：當(dāng)n gtm=0時(shí)，稱(chēng)為鋸齒型碳納米管，具有手性角(螺旋角)為0℃。

手性碳納米管：當(dāng)n gtm ≠ 0，稱(chēng)為手性碳納米管。

定向性分類(lèi)

按照取向可以分為取向碳納米管和非取向碳納米管兩種。碳納米管一般在幾十納米以下，長(zhǎng)度可達(dá)幾百微米以上高縱橫比意味著它們?cè)谏L(zhǎng)過(guò)程中會(huì)彎曲和纏繞。催化劑的化學(xué)氣相沉積可以是碳納米管的定向生長(zhǎng)。

碳納米管平面六邊形單元的邊長(zhǎng)為0.246nm，最短的c-C鍵長(zhǎng)為0.142nm，接近原子堆疊距離(139nm)圓柱體的兩端是封閉的五邊形或七邊形。在將石墨片卷成圓柱體的過(guò)程中，邊界上的懸空鍵隨機(jī)結(jié)合，導(dǎo)致碳納米管軸向的隨機(jī)性。因此，在一般的碳納米管中，碳原子的六方晶格的排列是螺旋纏繞的，并且納米管具有一定的螺旋度。 螺旋碳納米管對(duì)生長(zhǎng)更有效，而扶手椅型和鋸齒形碳納米管不具有這種有利的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，因此需要反復(fù)形成新的六方轉(zhuǎn)變螺旋形碳納米管比扶手椅形和鋸齒形碳納米管更常見(jiàn)。

化學(xué)鍵和大π鍵

碳納米管中的碳原子主要以sp2雜化為主，六方網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的彎曲，形成了空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中形成了一定的sp3雜化鍵，即形成的化學(xué)鍵同時(shí)具有sp2和sp3雜化狀態(tài)。這些P軌道相互重疊，在碳納米管的石墨烯片外形成高度離域的大π鍵碳納米管外表面的大π鍵是碳納米管與某些共軛大分子非共價(jià)鍵合的化學(xué)基礎(chǔ)。這些π電子可以用來(lái)和其他含有π電子的化合物通過(guò)π-通過(guò)π非共價(jià)相互作用也可以得到修飾的碳納米管。

官能基團(tuán)

單壁碳納米管和多壁碳納米管的表面結(jié)合有一定的官能團(tuán)，由于制備方法不同，通過(guò)不同制備方法得到的碳納米管也不同、后處理工藝不同，但具有不同的表面結(jié)構(gòu)。單壁碳納米管具有高化學(xué)惰性，其表面更純凈，而多壁碳納米管的表面更活躍，與大量表面基團(tuán)結(jié)合。

中空與螺旋特征

碳納米管

碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)。碳納米管層之間的距離為0.34mm，不完全一樣。管的內(nèi)部與巴基球的籠狀結(jié)構(gòu)相同，是中空結(jié)構(gòu)。單層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)螺旋特征。

六角碳環(huán)結(jié)構(gòu)和多邊形管狀特性

碳納米管的管體是一種準(zhǔn)圓管結(jié)構(gòu)，大多數(shù)由五邊形截面組成。研究表明，碳納米管管是多邊形結(jié)構(gòu)，由六邊形碳環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成。因此，碳納米管的這種特征被稱(chēng)為六邊形碳環(huán)結(jié)構(gòu)和多邊形管狀特征。另外，管體有時(shí)變化較大，因?yàn)楹衅哌呅翁辑h(huán)的結(jié)構(gòu)單元在生成碳納米管的過(guò)程中產(chǎn)生負(fù)曲率，形成生長(zhǎng)缺陷。

多邊形端帽特征

因?yàn)楣荏w部分具有多變形特征，所以端蓋部分也必須呈現(xiàn)相應(yīng)的多邊形特征。實(shí)際的端蓋總是由幾個(gè)類(lèi)似的子端蓋組成，它們分別與管體的碳層相匹配，包括各種端部密封方法。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了隨機(jī)密封或突然由不規(guī)則片層密封的端蓋，但大多數(shù)碳納米管的端蓋具有多邊形特征，即由五邊形碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，或稱(chēng)為多邊形錐形多壁結(jié)構(gòu)。

巴基蔥結(jié)構(gòu)

蕎麥洋蔥是一種軸向發(fā)展不發(fā)達(dá)的碳納米管，其結(jié)構(gòu)與碳納米管非常相似，可以作為碳納米管的特例(縱橫比大約為1:1)來(lái)處理。蕎麥洋蔥或蕎麥球仍然呈現(xiàn)具有中空多壁的多邊形特征，這與碳納米管相同。

電子

隨著成像技術(shù)的快速發(fā)展，顯示器正在轉(zhuǎn)向高清、超薄超輕發(fā)展方向。亮度場(chǎng)發(fā)射平板顯示器、在響應(yīng)速度等方面具有優(yōu)異的性能，在平板顯示領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用場(chǎng)景。碳納米管陰極為這種顯示技術(shù)提供了新的發(fā)展，單根碳納米管具有較低的開(kāi)啟電場(chǎng)、具有高發(fā)射電流密度的出色場(chǎng)發(fā)射性能。此外，在儲(chǔ)能材料上，多壁碳納米管的電容一般為102F/g；單壁碳納米管的電容為180F/g，功率密度可達(dá)20kW/Kg，容量密度可達(dá)7W·h/Kg，高于多壁碳納米管。此外，碳納米管具有納米尺度的一維管狀結(jié)構(gòu)，碳原子通過(guò)SP2雜化結(jié)合，這使得碳納米管具有非常高的楊氏模量并且易于加工形成柔性薄膜，從而成為柔性儲(chǔ)能材料。

材料

碳納米管和有機(jī)物的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得綜合性能優(yōu)異的聚合物基納米復(fù)合材料和一些特殊性能。與金屬?gòu)?fù)合可以有效增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，金屬離子也可以與碳納米管發(fā)生反應(yīng)，二者相輔相成，化學(xué)結(jié)合、物理結(jié)合等方式使復(fù)合材料具有更好的性能。與陶瓷復(fù)合，主要通過(guò)斷裂橋接和拔出效應(yīng)增韌陶瓷基體。其中碳納米管在陶瓷基體上均勻分散、碳納米管在組織中的存活、碳納米管與陶瓷基體的界面結(jié)合狀態(tài)是提高碳納米管增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。

催化劑

一維有序內(nèi)腔結(jié)構(gòu)形成的受限環(huán)境中的反應(yīng)性和選擇性相對(duì)較高。它可用作催化劑載體和催化劑添加劑，也可直接用作催化劑。與其他傳統(tǒng)材料相比，碳納米管負(fù)載和促進(jìn)的催化劑的活性或選擇性得到提高。原因是納米金屬顆粒進(jìn)入碳納米管的孔隙后可以形成納米反應(yīng)器。碳納米管的納米級(jí)內(nèi)腔不僅為納米催化劑和催化反應(yīng)提供了特定的受限環(huán)境，而且其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)有利于催化劑電子在內(nèi)腔內(nèi)外的轉(zhuǎn)移，因此碳納米管負(fù)載的催化劑具有獨(dú)特的催化能力。

醫(yī)學(xué)

碳納米管的管道合成是有機(jī)合成、生物化學(xué)和藥物化學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。它可在養(yǎng)料、在藥物供應(yīng)系統(tǒng)和細(xì)胞之間形成圓柱形通道以運(yùn)輸肽、蛋白質(zhì)、質(zhì)粒DNA或核酸等物質(zhì)。還能促進(jìn)骨組織的修復(fù)和生長(zhǎng)，促進(jìn)神經(jīng)再生，減少神經(jīng)組織的生成。此外，碳納米管可用于愈合微小的毛細(xì)血管或替換受損的毛細(xì)血管，并可修復(fù)受損的毛細(xì)血管。碳納米管具有優(yōu)異的柔韌性，在低電壓下可以產(chǎn)生較大的機(jī)械拉伸，其長(zhǎng)度會(huì)隨著施加電壓的變化而有規(guī)律地膨脹和收縮利用這一特性，它們可以制成人造肌纖維，用于人體肌纖維的移植和修復(fù)。

食品

碳納米管主要涉及食品安全檢測(cè)中的農(nóng)藥殘留、獸藥殘留和重金屬的檢測(cè)。由于農(nóng)藥殘留，它主要用作食品安全檢測(cè)的預(yù)處理吸附劑、獸藥殘留和重金屬含量很低，選擇合適的座椅預(yù)處理吸附劑非常重要。

航空

航空航天正在向輕量化工程發(fā)展陶瓷材料或陶瓷復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能、極低的密度和耐燒蝕性能用于制備航空航天零件，但由于其脆性，難以制造大尺寸或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，因此需要與金屬體連接以滿足實(shí)際需求。然而，焊料在陶瓷表面的潤(rùn)濕性較差，難以獲得有效的界面結(jié)合，而碳納米管可以改善潤(rùn)濕性在陶瓷表面原位合成碳納米管可以大大降低焊料在陶瓷表面的潤(rùn)濕性。

船舶

船上的海水淡化裝置用于解決遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)娘嬘盟畣?wèn)題，主要基于反滲透海水淡化裝置和技術(shù)。反滲透膜是反滲透海水淡化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，由碳納米管制成的反滲透膜減少了海水腐蝕的影響，是有效的、不斷滿足船上對(duì)淡水的需求。

其他

從結(jié)構(gòu)上看，碳納米管具有用作電容器電極材料的高結(jié)晶度的性質(zhì)、導(dǎo)電性好、比表面積大、在一定范圍內(nèi)，微孔可用于制備雙層超級(jí)電容器。碳納米管的層間距略大于石墨，充放電容量大于石墨而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多次充放電循環(huán)后不會(huì)塌陷，具有良好的可回收性，可用作鋰離子二次電池的電極材料。碳納米管獨(dú)特的大比表面積和納米孔結(jié)構(gòu)使其具有顯著的吸附性能，可用作儲(chǔ)氫材料。

碳納米管獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)可分為一維金屬納米材料，為物理處理和化學(xué)反應(yīng)限制提供了平臺(tái)，是很好的模板。利用碳納米管的吸附和尺寸效應(yīng)，可以進(jìn)行困難的微區(qū)放射性清洗和同位素分離，使其成為良好的微污染吸附劑，有利于環(huán)境保護(hù)。大面積定向碳納米管薄膜的成功制備使其在平板顯示器件中的應(yīng)用成為可能，平板顯示器件將用于電視機(jī)、攝像機(jī)、可視電話、便攜式計(jì)算機(jī)航空電子等儀器顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

健康影響

碳納米管是由石墨層構(gòu)成的圓柱體，但其生物毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨粉。例如由碳納米管制成的造影劑，生物體內(nèi)的代謝滯留會(huì)引起眼睛不適、皮膚過(guò)敏、肺癌和塵肺病等。美國(guó)國(guó)家航空航天局航天中心將包含0.將1毫克的碳納米管懸浮液通過(guò)支氣管注入大鼠和小鼠的肺部后，顆粒會(huì)以一定的形式進(jìn)入肺泡，甚至可以在肺部停留90天。即使是低溶解度的單壁碳納米管也會(huì)引起肺部肉芽腫，但通常沒(méi)有與石棉和無(wú)機(jī)粉塵引起的肉芽腫相關(guān)的炎癥癥狀。

環(huán)境影響

密蘇里大學(xué)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的一項(xiàng)聯(lián)合研究表明，碳納米管對(duì)一些水生生物有毒。碳納米管不是純碳、其生產(chǎn)過(guò)程的鎳、鉻和其他金屬將作為雜質(zhì)殘留。這些殘留的金屬和碳納米管會(huì)減緩某些水生生物的生長(zhǎng)速度，甚至導(dǎo)致它們的死亡。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的四種生物是貽貝、小蒼蠅幼蟲(chóng)、蠕蟲(chóng)和甲殼動(dòng)物。