3.2 什么是碳纳米管

碳纳米管，是纳米科技时代兴起的产物，诞生于1991年，与国际上定义“纳米科技”这个词汇是同一年。纳米，10 ^-9 m，是一个长度的计量单位。碳纳米管，可以看作将一个很常见的、直径20 cm的钢管直径缩小千万倍，再把材质由钢换成碳而得到的产品。图3.3（a）显示了一个直径为0.8 nm左右的单壁碳纳米管。其直径是图3.3（b）中多壁碳纳米管直径的1/15左右，是图3.3（c）中人体的血红细胞直径的1/4000左右。而最小的碳纳米管，直径只有0.4 nm，与一个氮气分子的直径差不多，其横截面上不能并排放下两个水分子。

大家一定好奇，这么小的材料，人类是如何发现的呢？万事皆有缘，碳纳米管的发现与人类探索浩瀚无边的宇宙大有关系。长期以来，科学家始终认为其他星球的高温高压环境，可使原子自由组合，形成各种元素与分子。其中，长链炔烃（其组成要素是氢元素与碳元素）应该是星际分子中的代表之一。为了模拟太空的高真空环境与放电环境，科学家在实验室搭建了高电压的电弧放电设备和高功率的激光设备。然后，用含氢气气源来轰击碳靶，让氢与碳自由组合。这一科研计划不经意间开启了碳时代的大门。首先，像足球结构一样的碳分子，如C ₆₀ 或富勒烯（Fullerene），就是这样造出来的。克罗托（Harold Kroto），斯莫利（Richard E. Smalley）等科学家因此获得了诺贝尔化学奖。这个漂亮的分子，只有0.7 nm大小，非常可爱，是世界上最小的足球。由于碳-碳键的弯曲程度大，这类材料具有很高的活性，能够与其他分子结合，变成药物递送体，在人体内畅通无阻，直达病灶。C ₆₀ 的发现在全世界掀起了巨大的科研热情，相关的技术与设备也在不断地改进中。日本电镜物理学家饭岛澄男教授，也是较早研究电弧法制备C ₆₀ 的专家之一。与大家只关注气体产物（含C ₆₀ ）不同，饭岛教授更加关注碳靶被轰击后，变成了什么。这一不经意间的转向，使人们首次（1991年）看到了管状材料碳纳米管 ^[1] 。在放大几十万倍的电子显微镜下，碳纳米管呈现出迷人的对称结构。完美的碳纳米管全部由碳原子构成，并且全部是由碳-碳六元环构成，像极了人们熟知的蜂巢结构，但却比蜂巢小了太多。从另外一个角度想象，碳纳米管就像是一层薄薄的碳原子构成的六元环拼接在一起，卷成了一个筒状结构，而且全部是无缝连接，是那么的完美。这种材料是人工合成的，大自然中没有，其精巧程度堪称巧夺天工。饭岛教授首次揭示了碳纳米管与C ₆₀ 的不同。C ₆₀ 由于要变成一个球状分子，所以只有平面状的碳-碳六元环是不够的，必须有大量的碳-碳五元环与碳-碳七元环来封闭化学键。而碳纳米管是一个很长的材料，其轴向碳-碳六元环完美结构更多。所以，有科学家提出碳纳米管是先形成了半个C ₆₀ 的帽沿（图3.4），碳原子不停地延着帽沿进行自组装，而没有及时封闭化学键 ^[2] 。由于其直径是纳米级的，所以，碳纳米管这个词的命名，结合了元素特性、尺寸特性与结构特性，体现了科学家的严谨性。从此，“纳米”这个词就被越来越多地嵌入材料的命名中。比如，纳米碳纤维、纳米硅线、纳米银线、纳米分子筛等。

同时，碳纳米管封闭时，碳-碳六元环的扭曲角度不同，其性质也截然不同（图3.5）。单层碳纳米管既可以是完全导电型的，也可以是半导体的。由于完美结构的碳纳米管，其各种物理与化学性质可以用物理模型计算，而得到的惊奇性能，又大大拓展了人类的想象空间。

单壁碳纳米管是一种由单层石墨卷曲形成的管状结构；多壁碳纳米管是由多层石墨共轴，形成类似树干的一维管状结构。由于碳碳原子之间的sp ² 杂化，碳纳米管的杨氏模量高达1.2 TPa，断裂伸长率高达17%。碳纳米管卷曲的结构指数（ n ， m ）决定了其直径和手性，也决定了碳纳米管的金属性、半导体或小带隙半导体性的电子输运行为。碳纳米管还具有可调的化学表面、中空的内部腔室以及极好的生物相容性。这些新奇的性质为其带来了许多实际应用 ^[3] ，如导电、电磁、微波吸收和高强度复合材料；超级电容器或电池电极；催化剂和催化剂载体；场发射显示器；透明导电膜；扫描探针；药物输送系统；电子设备；传感器和执行器等。

可以说，从1991年起，碳纳米管变成了材料科学、物理、化学、仪器各领域内最热门的研究课题，独霸纳米科技前沿十余年。即使到目前，碳纳米管仍然是研究最为充分、关注度最高的新型纳米材料，其关注的热点也逐渐从可控制备、结构表征过渡到性能发挥及应用研究。 hKSlNAovBjWmFfCZ8zQUejaRIx48tyw1afrP3cFWYBW605Fp22p4/pxbsd1zuGYp