碳纳米管

碳纳米管（英语：Carbon Nanotube，缩写为CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产碳纤维的产物中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。碳纳米管的分子结构决定了它具有一些独特的性质。由于巨大的长径比（径向尺寸在纳米量级，轴向尺寸在微米量级），碳纳米管表现为典型的一维量子材料，它的电子波函数在管的圆周方向具有周期性，在轴向则具有平移不变性，大大纯化了理论工作，并做出了一些预言。理论预言，碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻，且性质会随结构的变化而变化，可由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属；具有金属导电性的碳纳米管通过的磁通量是量子化的，表现出阿哈诺夫－波姆效应（A-B效应）。碳纳米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。(6,0)，(10,2)和(10,10)构型的碳纳米管紧束缚模型得到的碳纳米管能带结构，分别对应(6,0)CNT zigzag金属性(10,2)CNT 半导体性(10,10)CNT armchair金属性由于碳纳米管中碳原子采取sp2杂化，相比sp3杂化，sp2杂化杂化中s轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。佛罗里达国际大学的学者使用原子力显微镜对单壁碳纳米管的测量表明其径向杨氏模量仅有几个到数十GPa。莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 Pa的水压下（相当于水下18000米深的压强），由于巨大的压力，碳纳米管被压扁。撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。这启示人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧，用在汽车、火车上作为减震装置，能够大大减轻重量。此外，碳纳米管的熔点预计高达3652~3697℃。平展的碳纳米管模型稍卷曲的碳纳米管模型卷曲的碳纳米管模型严重卷曲的碳纳米管模型碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中 C h = n a 1 + m a 2 {displaystyle mathbf {C_{h}} =nmathbf {a_{1}} +mmathbf {a_{2}} } ，记为(n,m)。a1和a2分别表示两个基矢。(n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管，如果有2n+m=3q（q为整数），则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于n=m的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。 将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。近年来有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。近年来发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。目前这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。除此之外还有固相热解法等方法。固相热解法是令常规含碳亚稳固体在高温下热解生长碳纳米管的新方法，这种方法过程比较稳定，不需要催化剂，并且是原位生长。但受到原料的限制，生产不能规模化和连续化。另外还有离子或激光溅射法。此方法虽易于连续生产，但由于设备的原因限制了它的规模。在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。早期的研究报道了4.2 wt%的储氢量，不过后来的研究表明1999年刊载于《科学》（Science）的报告数据有误，碳纳米管储氢价值并不大。碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。碳纳米管还用来构建各种微纳米器件，最成功的例子是用双壁碳纳米管制作世界上最小的纳米马达，不过目前这类研究还停留在实验阶段，离应用还有一段距离。根据《自然》（Nature）2013年9月25日报导，斯坦福大学开发出全球首台完全以碳纳米管（carbon nanotubes）所组成的电脑，并已经成功运转，这台电脑叫作“Cedric”，目前还非常的简陋，只具备基本功能，但却可能发展成比现今任何一台硅晶电脑都快且更有效率的电脑。“Cedric”由178个晶体管所组成，每个晶体管有10~200个碳纳米管，总计有20亿颗碳原子在2019年，美国麻省理工学院的研究人员采用碳纳米管晶体管（Carbon Nanotube Transistors）成功研制出首款基于RISC-V指令集的16位元微处理器，名为“RV16X-NANO”。“RV16X-NANO”在16位元资料和定址上执行标准32位元长指令，包含了14,000多个晶体管，是迄今为止由新兴纳米技术制造的最先进芯片。它能够执行一条“Hello，World！”程式，打印出：“你好，世界！我是 RV16XNano，以碳纳米管所组成”。碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为触控萤幕的材料。先前的技术中，科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃衬底上，但是这样的技术至今没有进入量产阶段；目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术；该技术是从一超顺排碳纳米管阵列中直接抽出薄膜，铺在衬底上做成透明导电膜，就像从棉条中抽出纱线一样。该技术的核心－超顺排碳纳米管阵列是由北京清华-富士康纳米中心于2002年率先发现的新材料。2007~2008年间首次成功开发出碳纳米管触控萤幕，并由天津富纳源创公司于2011年产业化，至今已有多款智能手机上使用碳纳米管材料制成的触控萤幕。与现有的氧化铟锡（ITO）触控萤幕不同之处在于：氧化铟锡含有稀有金属“铟”，碳纳米管触控萤幕的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制；其次，铺膜方法做出的碳纳米管膜具有导电异向性，就像天然内置的图形，不需要光刻、蚀刻和水洗的制程，节省大量水电的使用，较为环保节能。工程师更开发出利用碳纳米管导电异向性的定位技术，仅用一层碳纳米管薄膜即可判断触摸点的X、Y座标；碳纳米管触控萤幕还具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以制做出曲面的触控萤幕，具有高度的潜力可应用于穿戴式装置、智慧家俱等产品。