【正文】 一種新的碳的晶體結(jié)構(gòu)碳納米管(CarbonNanotubes，CNTs)，自此開(kāi)辟了碳科學(xué)發(fā)展的新篇章，也把人們帶人了納米科技的新時(shí)代。碳納米管的結(jié)構(gòu)，形象地講是由含六邊形網(wǎng)格的石墨片卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)圓筒，兩端的“碳帽”由五邊形或七邊形參與封閉，根據(jù)石墨片層數(shù)的不同，碳納米管可分為單壁管和多壁管。由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性(徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米，甚至毫米量級(jí))，它表現(xiàn)為典型的一維量子材料，并具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能。碳納米管在制備、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用等方面引起了物理學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)等科學(xué)家的極大興趣，均取得了重大的成果。近幾年來(lái)，隨著碳納米管及納米材料研究的不斷深入，其廣闊應(yīng)用前景也不斷顯現(xiàn)出來(lái)。1碳納米管的結(jié)構(gòu)和性能碳納米管可以看作是石墨片繞中心軸按一定的螺旋角度卷繞而成的無(wú)縫圓筒，碳原子間是sp2雜化，它具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征，長(zhǎng)度為微米量級(jí)，管身是由六邊形碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，兩端由富勒烯半球形端帽封口。碳納米管的螺旋度通常用螺旋矢量Ch=na1+ma2表示，其數(shù)值等于碳納米管的周長(zhǎng)，其中n，m為整數(shù)，aa2是石墨晶格的基矢(圖1)。在二維石墨晶片上，給定一組(n，m)便確定了一個(gè)矢量Ch。另一個(gè)重要參量是Ch與a1，間夾角θ，稱為手性角。當(dāng)n=m，θ=30176。時(shí)，稱其為扶手椅形碳納米管；當(dāng)m=0，θ=0176。時(shí)，稱其為鋸齒形碳納米管；而當(dāng)0176。碳納米管具有最簡(jiǎn)單的化學(xué)組成及原子結(jié)合形態(tài)，卻展現(xiàn)了最豐富多彩的結(jié)構(gòu)以及與之相關(guān)的物理、化學(xué)等性能。碳納米管的碳原子之間以自然界最強(qiáng)CC化學(xué)鍵相結(jié)合，它的強(qiáng)度是鋼的100倍，而密度僅僅是鋼的1/6，具有很高的軸向強(qiáng)度、韌性和彈性模量，楊氏模量與金剛石相當(dāng)，約為1TPa，彈性應(yīng)變最高可達(dá)12%。碳納米管和石墨一樣具有良好的導(dǎo)電性能，隨著螺旋矢量(n，m)的不同，碳納米管的能隙寬度可以從零變化到與硅相等，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間。由于電子的量子限域所致，電子只能在石墨片中沿著碳納米管的軸向運(yùn)動(dòng)，因此碳納米管表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)性能。碳納米管尖端具有納米尺度的曲率半徑，在相對(duì)較低的電壓下就能夠發(fā)射出大量的電子，因此碳納米管呈現(xiàn)出優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射特性。碳納米管軸向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)6 600W/(mK)，為自然界已知材料中最高，是電子設(shè)備中最高效的散熱材料。另外，碳納米管具有獨(dú)特的輝光效應(yīng)、電致發(fā)光特性和光致發(fā)光效應(yīng)等性能。碳納米管還具有光學(xué)和儲(chǔ)氫等其他良好的性能,正是這些優(yōu)良的性質(zhì)使得碳納米管被認(rèn)為是理想的聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。3碳納米管的應(yīng)用碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及與之相關(guān)的力學(xué)、電子特性及化學(xué)性能，必然決定了它在物理、化學(xué)、信息技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、能源技術(shù)、生命及醫(yī)藥科學(xué)等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。碳納米管全部由碳原子組成，缺陷少、密度低，具有很高的軸向強(qiáng)度和剛度，其性能優(yōu)于通用級(jí)炭纖維，被看作是理想的復(fù)合材料增強(qiáng)相。利用碳納米管具有極好的導(dǎo)電特性、電致發(fā)光和長(zhǎng)徑比值達(dá)104等其他性能，可制備導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。碳納米管復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車(剎車片、保險(xiǎn)杠)、航空、航天、船舶、文體用品(釣魚桿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍)、土木建筑(水泥復(fù)合材料、輕量材)、機(jī)械(彈簧、螺旋桿等)等方面。此外，添加碳納米管可提高聚合物的導(dǎo)電性。由于碳納米管直徑小且導(dǎo)電，在紡織品中添加微量碳納米管，既可以防止靜電的產(chǎn)生，同時(shí)又不會(huì)影響紡織品的舒適性；經(jīng)化學(xué)修飾的碳納米管衍生物與聚合物共混紡制碳納米管復(fù)合纖維，其不僅具有導(dǎo)電或抗靜電性，還具有高的強(qiáng)度和模量，該類復(fù)合纖維制造的防彈衣可以有效保護(hù)整個(gè)人體，而不僅僅是前胸和后背；同時(shí)還能制作重量很輕的防輻射和抗沖擊太空服。碳納米管的電子結(jié)構(gòu)可以是金屬性質(zhì)，也可以是半導(dǎo)體性質(zhì)，取決于其直徑和螺旋度。因此不同直徑和螺旋度的碳納米管可以作為功能電子器件、微型電路的導(dǎo)線、最小的半導(dǎo)體裝置、納米級(jí)的晶體三極管、邏輯門和線路的連接件，應(yīng)用于微電子器件。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動(dòng)頻率發(fā)生變化，據(jù)此，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授發(fā)明了精度在1017kg的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。2004年，韋進(jìn)全等發(fā)表了關(guān)于碳納米管作為燈絲的初步研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以表現(xiàn)出顯著的電致發(fā)光性能，并提出了碳納米管燈泡的概念。2007年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校成功研制出迄今為止世界上最小的碳納米管收音機(jī)，它集天線、調(diào)諧器、放大器和解調(diào)器于一身。碳納米管的端部曲率半徑小，在電場(chǎng)中具有很強(qiáng)的局部增強(qiáng)效應(yīng)，可以用作場(chǎng)發(fā)射材料。作為場(chǎng)發(fā)射材料，碳納米管放大因子高，閾值場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)13V/μm，比傳統(tǒng)的陰極陣列降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，用作場(chǎng)發(fā)射顯示器件(FED)時(shí)工作電壓低、功率小、亮度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、具有更寬闊的視覺(jué)和更快的響應(yīng)速度，大面積定向碳納米管薄膜的成功制備使得它用于平板顯示器件成為可能，具有CRT和LED難以全面實(shí)現(xiàn)的性能特點(diǎn)，并將在電視機(jī)、攝像機(jī)、可視電話、便攜式計(jì)算機(jī)和航空電子設(shè)備等儀表顯示屏方面獲得廣泛的應(yīng)用。日本已制出應(yīng)用該類技術(shù)的彩色電視機(jī)樣機(jī)，其圖象分辨率是目前已知其他技術(shù)所不可能達(dá)到的。碳納米管以其極高的穩(wěn)定性、良好的生物相容性成為生物納米材料中的佼佼者，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也很令人期待。碳納米管管道合成是有機(jī)合成、生物化學(xué)和制藥化學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。碳納米管可在養(yǎng)料、藥品供給系統(tǒng)與細(xì)胞之間形成圓筒形的渠道，輸送肽、蛋白質(zhì)、質(zhì)粒DNA或寡核苷酸等物質(zhì)。碳納米管能促進(jìn)骨組織的修復(fù)生長(zhǎng)，促進(jìn)神經(jīng)再生，減：外申經(jīng)組織瘢痕產(chǎn)生。碳納米管聲學(xué)傳感器可以用作“納米聽(tīng)診器”，給醫(yī)生提供更快更準(zhǔn)確的診斷工具。此外，由碳納米管制成的微型納米鉗，有望成為科學(xué)家和醫(yī)生裝配納米機(jī)械和進(jìn)行微型手術(shù)的新工具。碳納米管用于極微細(xì)毛細(xì)血管的醫(yī)治或代替破損的毛細(xì)血管，可修復(fù)受損的毛細(xì)血管。碳納米管具有優(yōu)良的伸縮性，在較低電壓下可產(chǎn)生較大的機(jī)械拉伸，而且隨外加電壓的變化長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生規(guī)律性的伸展收縮，利用這種特性，制成人造肌肉纖維，不僅可用于人類肌纖維的移植和修復(fù)，還有望將來(lái)作為未來(lái)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。 從結(jié)構(gòu)上看，碳納米管具備作為理想的電容器電極材料的所有性能，即結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔集中在一定范圍內(nèi)，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的層間距，充放電容量大于石墨，而且筒狀結(jié)構(gòu)在多次充放電循環(huán)后不會(huì)塌縮，循環(huán)性好，可用于鋰離子充電電池電極材料。碳納米管獨(dú)特的大比表面積、納米孔隙結(jié)構(gòu)，具有顯著的吸附性能，使其可用作儲(chǔ)氫材料。最新的研究表明，碳納米管已經(jīng)被研究人員制成碳納米管顯微容器、納米齒輪、微型天線等，美國(guó)《發(fā)現(xiàn)》月刊報(bào)道利用碳納米管制作的“太空梯”將升向太空。碳納米管獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)可為一維金屬納米材料的制備提供物理處理和化學(xué)反應(yīng)限制的平臺(tái)，是一種很好的模板?？衫锰技{米管的吸附性和尺寸效應(yīng)，作高難度的微區(qū)、放射性清潔及同位素分離。碳納米管具有納米級(jí)的內(nèi)徑，類似石墨的碳六元環(huán)網(wǎng)和大量未成鍵的電子，可選擇吸附和活化一些較惰性的分子(如NO，CO2等)，用作催化劑載體。碳納米管具有一些與貴金屬類似的催化功能，可望在一大批貴金屬催化反應(yīng)上得到應(yīng)用，這將在石化和化工產(chǎn)業(yè)界帶來(lái)不可估量的革新和效益。4展望目前，國(guó)際上對(duì)碳納米管的研究方興未艾，發(fā)現(xiàn)了很多的科學(xué)現(xiàn)象，對(duì)它的物理、化學(xué)、熱學(xué)和電子學(xué)等方面都有了較深刻的理解，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了重要進(jìn)展。碳納米管應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展將廣泛沖擊產(chǎn)業(yè)各界，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域里的研究已在全球范圍內(nèi)廣泛展開(kāi)，例如：化妝品、醫(yī)藥品、消費(fèi)電器、衛(wèi)生、建筑、通信、安全以及空間探索等領(lǐng)域。當(dāng)前對(duì)碳納米管的研究仍處于基礎(chǔ)性階段，離大規(guī)模應(yīng)用還有待時(shí)日，但是隨著研究的不斷深入，其應(yīng)用正在加速朝商業(yè)化的方向邁進(jìn)，它在帶來(lái)深刻技術(shù)變革的同時(shí)，還給人類社會(huì)帶來(lái)巨大的財(cái)富。