[科普中國]-奈米碳管

奈米碳管是在碳簇研究的刺激之下而誕生的,是只由碳原子所形成的碳的新物質(zhì)，奈米級的圓筒狀結(jié)構(gòu)，它表現(xiàn)出電的特性、拉張強(qiáng)度、復(fù)原性、熱導(dǎo)性等等優(yōu)異的特征，從基礎(chǔ)科學(xué)到工業(yè)的應(yīng)用遍及廣泛的領(lǐng)域。

概述奈米碳管（英語：Carbon Nanotube，縮寫CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子采取sp雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結(jié)合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為奈米碳管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個奈米碳管的共軛π電子云。按照管子的層數(shù)不同，分為單壁奈米碳管和多壁奈米碳管。管子的半徑方向非常細(xì)，只有納米尺度，幾萬根奈米碳管并起來也只有一根頭發(fā)絲寬，奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達(dá)數(shù)十到數(shù)百微米。

奈米碳管不總是筆直的，局部可能出現(xiàn)凹凸的現(xiàn)象，這是由于在六邊形結(jié)構(gòu)中混雜了五邊形和七邊形。出現(xiàn)五邊形的地方，由于張力的關(guān)系導(dǎo)致奈米碳管向外凸出。如果五邊形恰好出現(xiàn)在奈米碳管的頂端，就形成奈米碳管的封口。出現(xiàn)七邊形的地方奈米碳管則向內(nèi)凹進(jìn)。

性質(zhì)奈米碳管的分子結(jié)構(gòu)決定了它具有一些獨(dú)特的性質(zhì)。由于巨大的長徑比（徑向尺寸在納米量級，軸向尺寸在微米量級），奈米碳管表現(xiàn)為典型的一維量子材料，它的電子波函數(shù)在管的圓周方向具有周期性，在軸向則具有平移不變性，大大純化了理論工作，并做出了一些預(yù)言。理論預(yù)言，奈米碳管具有超常的強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、磁阻，且性質(zhì)會隨結(jié)構(gòu)的變化而變化，可由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體、由半導(dǎo)體變?yōu)榻饘?；具有金屬?dǎo)電性的奈米碳管通過的磁通量是量子化的，表現(xiàn)出阿哈諾夫－波姆效應(yīng)（A-B效應(yīng)）。

力學(xué)性質(zhì)奈米碳管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業(yè)上常用的增強(qiáng)型纖維中，決定強(qiáng)度的一個關(guān)鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而奈米碳管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學(xué)的研究人員稱，1奈米碳管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。奈米碳管因而被稱“超級纖維”。佛羅里達(dá)國際大學(xué)的學(xué)者使用原子力顯微鏡對單壁奈米碳管的測量表明其徑向楊氏模量僅有幾個到數(shù)十GPa。

莫斯科大學(xué)的研究人員曾將奈米碳管置于10Pa的水壓下（相當(dāng)于水下18000米深的壓強(qiáng)），由于巨大的壓力，奈米碳管被壓扁。撤去壓力后，奈米碳管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性。這啟示人們可以利用奈米碳管制造輕薄的彈簧，用在汽車、火車上作為減震裝置，能夠大大減輕重量。

此外，奈米碳管的熔點(diǎn)預(yù)計高達(dá)3652-3697℃。

電學(xué)性質(zhì)奈米碳管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，奈米碳管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。

常用矢量Ch表示奈米碳管上原子排列的方向，其中，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與奈米碳管的導(dǎo)電性能密切相關(guān)。對于一個給定(n,m)的納米管，如果有2n+m=3q（q為整數(shù)），則這個方向上表現(xiàn)出金屬性，是良好的導(dǎo)體，否則表現(xiàn)為半導(dǎo)體。對于n=m的方向，奈米碳管表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通?？蛇_(dá)銅的1萬倍。 將石墨電極置于充滿氦氣或氬氣的反應(yīng)容器中，在兩極之間激發(fā)出電弧，此時溫度可以達(dá)到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發(fā)，生成的產(chǎn)物有富勒烯（C60）、無定型碳和單壁或多壁的奈米碳管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量，可以調(diào)節(jié)幾種產(chǎn)物的相對產(chǎn)量。使用這一方法制備奈米碳管技術(shù)上比較簡單，但是生成的奈米碳管與C60等產(chǎn)物混雜在一起，很難得到純度較高的奈米碳管，并且得到的往往都是多層奈米碳管，而實(shí)際研究中人們往往需要的是單層的奈米碳管。此外該方法反應(yīng)消耗能量太大。近年來有些研究人員發(fā)現(xiàn)，如果采用熔融的氯化鋰作為陽極，可以有效地降低反應(yīng)中消耗的能量，產(chǎn)物純化也比較容易。

近年來發(fā)展出了化學(xué)氣相沉積法，或稱為碳?xì)錃怏w熱解法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態(tài)烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態(tài)烴可以分解生成奈米碳管。這種方法突出的優(yōu)點(diǎn)是殘余反應(yīng)物為氣體，可以離開反應(yīng)體系，得到純度比較高的奈米碳管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節(jié)省了能量。但是制得的奈米碳管管徑不整齊，形狀不規(guī)則，并且在制備過程中必須要用到催化劑。目前這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的奈米碳管的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。

除此之外還有固相熱解法等方法。固相熱解法是令常規(guī)含碳亞穩(wěn)固體在高溫下熱解生長奈米碳管的新方法，這種方法過程比較穩(wěn)定，不需要催化劑，并且是原位生長。但受到原料的限制，生產(chǎn)不能規(guī)?；瓦B續(xù)化。

另外還有離子或激光濺射法。此方法雖易于連續(xù)生產(chǎn)，但由于設(shè)備的原因限制了它的規(guī)模。

應(yīng)用前景材料學(xué)在奈米碳管的內(nèi)部可以填充金屬、氧化物等物質(zhì)，這樣奈米碳管可以作為模具，首先用金屬等物質(zhì)灌滿奈米碳管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細(xì)的納米尺度的導(dǎo)線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些奈米碳管本身還可以作為納米尺度的導(dǎo)線。這樣利用奈米碳管或者相關(guān)技術(shù)制備的微型導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路。

利用奈米碳管的性質(zhì)可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料。例如用奈米碳管材料增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的奈米碳管復(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對環(huán)境造成影響。奈米碳管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。奈米碳管上由于存在五元環(huán)的缺陷，增強(qiáng)了反應(yīng)活性，在高溫和其他物質(zhì)存在的條件下，奈米碳管容易在端面處打開，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基復(fù)合材料。這樣的材料強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強(qiáng)。

氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲存又十分不方便。奈米碳管自身重量輕，具有中空的結(jié)構(gòu)，可以作為儲存氫氣的優(yōu)良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態(tài)或固態(tài)氫氣的密度還高。適當(dāng)加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用奈米碳管制作輕便的可攜帶式的儲氫容器。早期的研究報道了4.2 wt%的儲氫量，不過后來的研究表明1999年刊載于《科學(xué)》（Science）的報告數(shù)據(jù)有誤，2奈米碳管儲氫價值并不大。

生物學(xué)奈米碳管還給物理學(xué)家提供了研究毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理最細(xì)的毛細(xì)管，給化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)最細(xì)的試管。奈米碳管上極小的微?？梢砸鹉蚊滋脊茉陔娏髦械臄[動頻率發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，1999年，巴西和美國科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質(zhì)量。隨后德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子的“納米秤”。奈米碳管還用來構(gòu)建各種微納米器件，最成功的例子是用雙壁奈米碳管制作世界上最小的納米馬達(dá)，不過目前這類研究還停留在實(shí)驗(yàn)階段，離應(yīng)用還有一段距離。3

電腦根據(jù)《自然》（Nature）2013年9月25日報導(dǎo)，斯坦福大學(xué)開發(fā)出全球首臺完全以奈米碳管（carbon nanotubes）所組成的電腦，并已經(jīng)成功運(yùn)轉(zhuǎn)，這臺電腦叫作“Cedric”，目前還非常的簡陋，只具備基本功能，但卻可能發(fā)展成比現(xiàn)今任何一臺硅晶電腦都快且更有效率的電腦。“Cedric”由178個晶體管所組成，每個晶體管有10~200個奈米碳管，總計有20億顆碳原子。

觸控屏幕奈米碳管可以制成透明導(dǎo)電的薄膜，用以代替ITO（氧化銦錫）作為觸控屏幕的材料。先前的技術(shù)中，科學(xué)家利用粉狀的奈米碳管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃襯底上，但是這樣的技術(shù)至今沒有進(jìn)入量產(chǎn)階段；目前可成功量產(chǎn)的是利用超順排奈米碳管技術(shù)；該技術(shù)是從一超順排奈米碳管陣列中直接抽出薄膜，鋪在襯底上做成透明導(dǎo)電膜，就像從棉條中抽出紗線一樣。該技術(shù)的核心－超順排奈米碳管陣列是由北京清華-富士康納米中心于2002年率先發(fā)現(xiàn)的新材料。

2007~2008年間首次成功開發(fā)出奈米碳管觸控屏幕，并由天津富納源創(chuàng)公司于2011年產(chǎn)業(yè)化，至今已有多款智能手機(jī)上使用奈米碳管材料制成的觸控屏幕。

與現(xiàn)有的氧化銦錫（ITO）觸控屏幕不同之處在于：氧化銦錫含有稀有金屬“銦”，奈米碳管觸控屏幕的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳?xì)錃怏w，不受稀有礦產(chǎn)資源的限制；其次，鋪膜方法做出的奈米碳管膜具有導(dǎo)電異向性，就像天然內(nèi)置的圖形，不需要光刻、蝕刻和水洗的制程，節(jié)省大量水電的使用，較為環(huán)保節(jié)能。工程師更開發(fā)出利用奈米碳管導(dǎo)電異向性的定位技術(shù)，僅用一層奈米碳管薄膜即可判斷觸摸點(diǎn)的X、Y座標(biāo)；奈米碳管觸控屏幕還具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以制做出曲面的觸控屏幕，具有高度的潛力可應(yīng)用于穿戴式裝置、智慧家俱等產(chǎn)品。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)