【正文】 一種新的碳的晶體結構碳納米管(CarbonNanotubes，CNTs)，自此開辟了碳科學發(fā)展的新篇章，也把人們帶人了納米科技的新時代。碳納米管的結構，形象地講是由含六邊形網(wǎng)格的石墨片卷曲而成的無縫納米級圓筒，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。由于其結構上的特殊性(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米，甚至毫米量級)，它表現(xiàn)為典型的一維量子材料，并具有許多異常的力學、電學、光學、熱學和化學性能。碳納米管在制備、結構、性能、應用等方面引起了物理學、化學和材料學等科學家的極大興趣，均取得了重大的成果。近幾年來，隨著碳納米管及納米材料研究的不斷深入，其廣闊應用前景也不斷顯現(xiàn)出來。1碳納米管的結構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縫圓筒，碳原子間是sp2雜化，它具有典型的層狀中空結構特征，長度為微米量級，管身是由六邊形碳環(huán)組成的多邊形結構，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，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)便確定了一個矢量Ch。另一個重要參量是Ch與a1，間夾角θ，稱為手性角。當n=m，θ=30176。時，稱其為扶手椅形碳納米管；當m=0，θ=0176。時，稱其為鋸齒形碳納米管；而當0176。碳納米管具有最簡單的化學組成及原子結合形態(tài)，卻展現(xiàn)了最豐富多彩的結構以及與之相關的物理、化學等性能。碳納米管的碳原子之間以自然界最強CC化學鍵相結合，它的強度是鋼的100倍，而密度僅僅是鋼的1/6，具有很高的軸向強度、韌性和彈性模量，楊氏模量與金剛石相當，約為1TPa，彈性應變最高可達12%。碳納米管和石墨一樣具有良好的導電性能，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，導電性能介于導體和半導體之間。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動，因此碳納米管表現(xiàn)出獨特的電學性能。碳納米管尖端具有納米尺度的曲率半徑，在相對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)良的場致發(fā)射特性。碳納米管軸向導熱系數(shù)高達6 600W/(mK)，為自然界已知材料中最高，是電子設備中最高效的散熱材料。另外，碳納米管具有獨特的輝光效應、電致發(fā)光特性和光致發(fā)光效應等性能。碳納米管還具有光學和儲氫等其他良好的性能,正是這些優(yōu)良的性質(zhì)使得碳納米管被認為是理想的聚合物復合材料的增強材料。3碳納米管的應用碳納米管獨特的結構及與之相關的力學、電子特性及化學性能，必然決定了它在物理、化學、信息技術、環(huán)境科學、材料科學、能源技術、生命及醫(yī)藥科學等領域均具有廣闊的應用前景。碳納米管全部由碳原子組成，缺陷少、密度低，具有很高的軸向強度和剛度，其性能優(yōu)于通用級炭纖維，被看作是理想的復合材料增強相。利用碳納米管具有極好的導電特性、電致發(fā)光和長徑比值達104等其他性能，可制備導電聚合物復合材料。碳納米管復合材料廣泛應用于汽車(剎車片、保險杠)、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(水泥復合材料、輕量材)、機械(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電性。由于碳納米管直徑小且導電，在紡織品中添加微量碳納米管，既可以防止靜電的產(chǎn)生，同時又不會影響紡織品的舒適性；經(jīng)化學修飾的碳納米管衍生物與聚合物共混紡制碳納米管復合纖維，其不僅具有導電或抗靜電性，還具有高的強度和模量，該類復合纖維制造的防彈衣可以有效保護整個人體，而不僅僅是前胸和后背；同時還能制作重量很輕的防輻射和抗沖擊太空服。碳納米管的電子結構可以是金屬性質(zhì)，也可以是半導體性質(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、微型電路的導線、最小的半導體裝置、納米級的晶體三極管、邏輯門和線路的連接件，應用于微電子器件。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動頻率發(fā)生變化，據(jù)此，美國佐治亞理工學院王中林教授發(fā)明了精度在1017kg的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質(zhì)量。2004年，韋進全等發(fā)表了關于碳納米管作為燈絲的初步研究結果，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，美國加州大學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，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，在電場中具有很強的局部增強效應，可以用作場發(fā)射材料。作為場發(fā)射材料，碳納米管放大因子高，閾值場強可達13V/μm，比傳統(tǒng)的陰極陣列降低了3個數(shù)量級，用作場發(fā)射顯示器件(FED)時工作電壓低、功率小、亮度高、壽命長、穩(wěn)定性高、具有更寬闊的視覺和更快的響應速度，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難以全面實現(xiàn)的性能特點，并將在電視機、攝像機、可視電話、便攜式計算機和航空電子設備等儀表顯示屏方面獲得廣泛的應用。日本已制出應用該類技術的彩色電視機樣機，其圖象分辨率是目前已知其他技術所不可能達到的。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)學領域的應用前景也很令人期待。碳納米管管道合成是有機合成、生物化學和制藥化學的重點研究領域。碳納米管可在養(yǎng)料、藥品供給系統(tǒng)與細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)。碳納米管能促進骨組織的修復生長，促進神經(jīng)再生，減：外申經(jīng)組織瘢痕產(chǎn)生。碳納米管聲學傳感器可以用作“納米聽診器”，給醫(yī)生提供更快更準確的診斷工具。此外，由碳納米管制成的微型納米鉗，有望成為科學家和醫(yī)生裝配納米機械和進行微型手術的新工具。碳納米管用于極微細毛細血管的醫(yī)治或代替破損的毛細血管，可修復受損的毛細血管。碳納米管具有優(yōu)良的伸縮性，在較低電壓下可產(chǎn)生較大的機械拉伸，而且隨外加電壓的變化長度會發(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，還有望將來作為未來機器人的運動構件。 從結構上看，碳納米管具備作為理想的電容器電極材料的所有性能，即結晶度高、導電性好、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，而且筒狀結構在多次充放電循環(huán)后不會塌縮，循環(huán)性好，可用于鋰離子充電電池電極材料。碳納米管獨特的大比表面積、納米孔隙結構，具有顯著的吸附性能，使其可用作儲氫材料。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《發(fā)現(xiàn)》月刊報道利用碳納米管制作的“太空梯”將升向太空。碳納米管獨特的管狀結構可為一維金屬納米材料的制備提供物理處理和化學反應限制的平臺，是一種很好的模板?？衫锰技{米管的吸附性和尺寸效應，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上得到應用，這將在石化和化工產(chǎn)業(yè)界帶來不可估量的革新和效益。4展望目前，國際上對碳納米管的研究方興未艾，發(fā)現(xiàn)了很多的科學現(xiàn)象，對它的物理、化學、熱學和電子學等方面都有了較深刻的理解，在基礎研究和應用領域都取得了重要進展。碳納米管應用技術的發(fā)展將廣泛沖擊產(chǎn)業(yè)各界，在眾多應用領域里的研究已在全球范圍內(nèi)廣泛展開，例如：化妝品、醫(yī)藥品、消費電器、衛(wèi)生、建筑、通信、安全以及空間探索等領域。當前對碳納米管的研究仍處于基礎性階段，離大規(guī)模應用還有待時日，但是隨著研究的不斷深入，其應用正在加速朝商業(yè)化的方向邁進，它在帶來深刻技術變革的同時，還給人類社會帶來巨大的財富。