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，奈米級的圓筒狀結構，它表現出電的特性、拉張強度、復原性、熱導性等等優異的特徵，從基礎科學到工業的套用遍及廣泛的領域。
基本介紹
- 中文名：奈米碳管
- 外文名：Carbon Nanotube
- 發現：奈米材料里奈米碳管是最知名一種
- 特性：拉張強度、復原性
- 套用領域：基礎科學到工業
- 縮寫：CNT
概述,性質,力學性質,電學性質,套用前景,材料學,生物學,電腦,觸控螢幕,
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實驗室的物理學家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的。它是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子採取sp雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結構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，只有納米尺度，幾萬根奈米碳管並起來也只有一根頭髮絲寬，奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。
奈米碳管不總是筆直的，局部可能出現凹凸的現象，這是由於在六邊形結構中混雜了五邊形和七邊形。出現五邊形的地方，由於張力的關係導致奈米碳管向外凸出。如果五邊形恰好出現在奈米碳管的頂端，就形成奈米碳管的封口。出現七邊形的地方奈米碳管則向內凹進。
性質
奈米碳管的分子結構決定了它具有一些獨特的性質。由於巨大的長徑比（徑向尺寸在納米量級，軸向尺寸在微米量級），奈米碳管表現為典型的一維量子材料，它的電子波函式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，並做出了一些預言。理論預言，奈米碳管具有超常的強度、熱導率、磁阻，且性質會隨結構的變化而變化，可由絕緣體轉變為半導體、由半導體變為金屬；具有金屬導電性的奈米碳管通過的磁通量是量子化的，表現出阿哈諾夫－波姆效應（A-B效應）。
力學性質
奈米碳管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，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，是理想的高強度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學的研究人員稱，奈米碳管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有後者的1/6到1/7。奈米碳管因而被稱“超級纖維”。佛羅里達國際大學的學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十GPa。
莫斯科大學的研究人員曾將奈米碳管置於10Pa的水壓下（相當於水下18000米深的壓強），由於巨大的壓力，奈米碳管被壓扁。撤去壓力後，奈米碳管像彈簧一樣立即恢復了形狀，表現出良好的韌性。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，奈米碳管的熔點預計高達3652-3697℃。
電學性質
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)與奈米碳管的導電性能密切相關。對於一個給定(n,m)的納米管，如果有2n+m=3q（q為整數），則這個方向上表現出金屬性，是良好的導體，否則表現為半導體。對於n=m的方向，奈米碳管表現出良好的導電性，電導率通常可達銅的1萬倍。 將石墨電極置於充滿氦氣或氬氣的反應容器中，在兩極之間激發出電弧，此時溫度可以達到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發，生成的產物有富勒烯（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，可以調節幾種產物的相對產量。使用這一方法製備奈米碳管技術上比較簡單，但是生成的奈米碳管與C60等產物混雜在一起，很難得到純度較高的奈米碳管，並且得到的往往都是多層奈米碳管，而實際研究中人們往往需要的是單層的奈米碳管。此外該方法反應消耗能量太大。近年來有些研究人員發現，如果採用熔融的氯化鋰作為陽極，可以有效地降低反應中消耗的能量，產物純化也比較容易。
近年來發展出了化學氣相沉積法，或稱為碳氫氣體熱解法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態烴可以分解生成奈米碳管。這種方法突出的優點是殘餘反應物為氣體，可以離開反應體系，得到純度比較高的奈米碳管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節省了能量。但是製得的奈米碳管管徑不整齊，形狀不規則，並且在製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構，已經取得了一定進展。
除此之外還有固相熱解法等方法。固相熱解法是令常規含碳亞穩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定，不需要催化劑，並且是原位生長。但受到原料的限制，生產不能規模化和連續化。
另外還有離子或雷射濺射法。此方法雖易於連續生產，但由於設備的原因限制了它的規模。
套用前景
材料學
在奈米碳管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣奈米碳管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿奈米碳管，再把碳層腐蝕掉，就可以製備出最細的納米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到套用。有些奈米碳管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣利用奈米碳管或者相關技術製備的微型導線可以置於矽晶片上，用來生產更加複雜的電路。
利用奈米碳管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用奈米碳管材料增強的塑膠力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、禁止無線電波。使用水泥做基體的奈米碳管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響。奈米碳管增強陶瓷複合材料強度高，抗衝擊性能好。奈米碳管上由於存在五元環的缺陷，增強了反應活性，在高溫和其他物質存在的條件下，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、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。
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，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，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。早期的研究報導了4.2 wt%的儲氫量，不過後來的研究表明1999年刊載於《科學》（Science）的報告數據有誤，奈米碳管儲氫價值並不大。
生物學
奈米碳管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應最細的試管。奈米碳管上極小的微粒可以引起奈米碳管在電流中的擺動頻率發生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的“納米秤”。奈米碳管還用來構建各種微納米器件，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，不過目前這類研究還停留在實驗階段，離套用還有一段距離。
