化学 碳纳米管

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1、碳 纳 米 管1. 什么是碳纳米管？ 1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima）首次利用电子显 微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间 ，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验 观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管 状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮 和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。 石墨烯碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结 构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级 、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它 主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层 的同轴圆管（图1）。层与层之间

2、保持固定的距 离，约0.34nm，直径一般为220nm。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现 凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了 五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形 在碳纳米管中也扮演重要角色。当六边形逐渐延 伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管 凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端， 即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米 管则凹进。两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一 起的，而是保持一定距离，Ruff等用Jarrel-Ash 扫描显微光度计精确测量了两根非常接近的碳纳 米管间的距离。按照石墨烯片的层数，可分为1) 单壁碳纳米管（Single-walled nan

3、otubes, SWNTs）2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由 一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为0.75 3nm和150m。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有 多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从250不等，层 间距为0.340.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的 典型直径和长度分别为230nm和0.150m。 碳纳米管的独特性

4、质：1.力学性能：碳纳米管的抗拉强度达到50200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至 少比常规石墨纤维高一个数量级。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身 重量拉折的绳索，如果用它做成地球月球载人电梯，人们来往月球和地 球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。 2.电学性能：由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具 有很好的电学性能。 3.热学性能：一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度 方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料 。 (虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换 性

5、能较低) 4.储氢性能： 清华大学超级吸氢材料碳纳米管的研究-由于纳米碳中独特晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的储氢系统。碳纳米管产生一些 带有斜口形状的层板，层间距为0.337 nm，而分子氢气的动力学直径为0.289 nm，所以，碳纳米管 能用来吸附氢气。另外 ，由于这些层板之间的氢的结合是不牢固的，降压时能够通过膨胀来放出氢 气，直到系统降为常压。实验发现：在常温下，碳纳米管吸氢速度很快，可在3-4个小时之内完成； 碳纳米管的放氢速度也很快，在0.5-1个小时之内即可完。碳纳米管的后处理和改性处理对其吸氢量 有很大的影响。 从实验数据可见碳纳米管储氢容量很大，考虑到目前较为成熟的

6、储氢合金的储氢量只有1.4 wt%，其 优点是显而易见的。 表1 常用的储氢方法及其优缺点碳纳米管吸附氢的优点与缺点可归纳如下：储氢方法优优点缺点压缩气体运输和使用方便、可靠压力高，使用和运输有 危险；钢瓶的体积和重 量大，运费较高液氢储氢能力大储氢过程储氢能耗大， 使用不方便金属氢化物运输和使用安全储氢量小，金属氢化物 易破裂低压吸附低温储氢能力大运输和保存需低温优点缺点 储氢能力大，可达9.9 wt% 吸附速率快，数小时内完成 室温吸附， 解吸速率快，数十分钟内完成 可直接获得氢气，不需重整器， 使用方便 吸附压力须100kg/cm2 钢瓶的体积和质量仍较大 目前价格较高 碳纳米管的应用：

7、无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右）情况下的大肠杆菌对比照片美国科学家的一项最新研究表明，单壁碳纳米管能够严重破坏大肠杆菌（E. coli）等 细菌的细胞壁，从而将其杀灭。在最新的研究中，研究人员在有碳纳米管存在的情况 下培育实验模型大肠杆菌近一个小时。结果发现，只要病菌与单壁碳纳米管直接 接触，就会被彻底杀灭。Elimelech推测，可能是长而细的碳纳米管刺破了细胞，从 而产生伤害。同时，研究排除了金属毒性作祟的可能，因为为了避免金属污染，单壁 碳纳米管的合成和净化过程都十分严格。Elimelech小组目前正在研究多壁碳纳米管的毒性，初步的结论是它比单壁碳纳米 管的毒性要弱。此外，研究人员也致

8、力于在更广泛的细菌种类中进行类似实验，以期 更好地理解碳纳米管破坏细胞的机制。（a）壁虎脚的电子显微镜放大照片； （b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片 ；（c）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵 列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约 650克的瓶装可乐饮料； （d）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵 列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属 钢圈壁虎的脚底有数十万根极其微小的细毛，“飞檐 走壁”时壁虎就是靠这些细毛与物体表面分子产 生的黏合作用，在停下时可强劲黏合，抬腿欲 走时可轻松分开。美国研究人员仿照壁虎的脚底，把用碳纳米管 材料制成的毛状物覆盖到聚合物表面，这些毛 状物具有与壁虎脚底细毛类似

9、的功能。最终， 研究人员研制出一种柔软的贴片，可以反复粘 贴、扯下，而且其性能比壁虎脚底更胜一筹。 研究人员说，这种碳纳米管材料黏合时的力量 是壁虎脚底的4倍。“如果目前的碳纳米管阵列尺寸可以扩大，那么手掌大 (10厘米10厘米)的一块仿生纳米脚就可以在屋顶上悬 挂一位100公斤重的人。”当一个原子或分子被存放在 此碳纳米管上面时，此碳纳米管 的共振频率就会因此原子或分子 的质量而改变，类似于不同体重 的跳水运动员会改变跳水板的共 振频率一样。此研究小组成员肯尼思延 森说：“让碳纳米管振动很简单 ，难的就是探知其振动的微小变 化。我们通过磁场发射或喷雾让 它产生了振动，并探测到此碳纳 米管一端的电流变化。“ 碳纳米管的一端可自由活动，而另一端入则连接在一个电极上，且距离相对 的电极相当近。来自电池或太阳能电池上的直流电源与这对电极相连，导致 它以某种波动的共振频率振动。 近日，美国密歇根大学机械工程系使用大 约1.5亿根碳纳米管为当选总统奥巴马制作了一 组画像。图为在电子显微镜下看到了碳纳米管奥 巴马画像。每个纳米奥巴马头像包含着1.5亿个碳纳 米管，这些碳纳米管像丛林中的树木一样垂直地 排列着，每个碳纳米管都是中空圆柱体结构，其 直径仅为人体头发的五万分之一。据称，哈特制 造这件“纳米艺术品”的目的在于让更多人体验纳 米技术的魅力所在。