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1、 碳纳米管专题碳纳米管专题Carbon Nano-tubes1碳纳米管的发展背景碳纳米管的发展背景2碳纳米管的结构碳纳米管的结构3碳纳米管的制备与后处理方法碳纳米管的制备与后处理方法4碳纳米管的基本性质碳纳米管的基本性质5碳纳米管的相关应用碳纳米管的相关应用1碳纳米管的发展背景碳纳米管的发展背景 背景背景：纳米材料的发展纳米材料的发展1984年德国萨尔兰大学年德国萨尔兰大学Gleiter以及美国的以及美国的阿贡实验室的阿贡实验室的Sieyel相继制得了纯物质的纳米相继制得了纯物质的纳米细粉。细粉。Gleiter在高纯净真空的条件下将粒径为在高纯净真空的条件下将粒径为6nm的的Fe粒子原位加压成
2、型，烧结得到纳米微粒子原位加压成型，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年年7月在美国召开的第一届国际纳米科学月在美国召开的第一届国际纳米科学技术技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。的一个新分支。发现发现：1991年，日本学者年，日本学者Ijima和美国的和美国的Bethune等人在掺加等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。 研究结果研究结果：理论预计该材料
3、具有优异的力学、电：理论预计该材料具有优异的力学、电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米管的因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米管的研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。点。 近年来，美国，日本，德国，中国相继成立近年来，美国，日本，德国，中国相继成立了纳米材料研究机构，使得碳纳米管的研究进展了纳米材料研究机构，使得碳纳米管的研究进展随之加快，在制备及应用方面都取得了突破性的随之加快，在制备及应用方面都取得了突破性的进展。进展。 2碳纳米管的结构碳纳米管
4、的结构 sp杂化（杂化（英语英语：sphybridization）是指一个）是指一个原子原子同一同一电子层电子层内由一个内由一个ns轨道和两个轨道和两个np轨道发生轨道发生杂化杂化的过程。原子发生的过程。原子发生sp杂化后，上述杂化后，上述ns轨道和轨道和np轨道便会转化成为三个等价的轨道便会转化成为三个等价的原子轨道原子轨道，称为，称为“sp杂化轨道杂化轨道”。三个。三个sp杂杂化轨道的化轨道的对称轴对称轴在同一条在同一条平面平面上，两两之间的上，两两之间的夹角夹角皆为皆为120。sp杂化一般杂化一般发生在发生在分子分子形成过程中。杂化发生前，原子最外层形成过程中。杂化发生前，原子最外层s轨
5、道中的一个轨道中的一个电子电子被被激激发发至至p轨道，使将要发生杂化的原子进入轨道，使将要发生杂化的原子进入激发态激发态；之后，该层的；之后，该层的s轨道与三轨道与三个个p轨道中的任意两个发生杂化。此过程中，轨道中的任意两个发生杂化。此过程中，能量能量相近的相近的s轨道和轨道和p轨道发生轨道发生叠加，不同类型的原子轨道重新分配能量并调整方向。叠加，不同类型的原子轨道重新分配能量并调整方向。sp2杂化轨道杂化轨道含含1/3 s和和2/3 p的成分。一个的成分。一个s轨道和两个轨道和两个p轨道杂化轨道杂化，形成，形成3个完全相同的个完全相同的sp2杂化轨道。其杂化轨道。其3个轨道间夹角为个轨道间夹
6、角为120，呈平面正三角形。，呈平面正三角形。例如实验测知例如实验测知BF3的的4个原子在个原子在同一平面上，键角同一平面上，键角FBF等于等于120。B原子原子的外层的外层电子构型电子构型是是2s2 2p1，成键时，成键时1个个2s电子电子激发到激发到1个空的个空的2p轨道上，与轨道上，与此同时，此同时，1个个s轨道和轨道和2个个p轨道轨道“混合混合”起来成为起来成为3个杂化轨道，个杂化轨道，分别与分别与3个个F原子成键原子成键2碳纳米管的结构碳纳米管的结构 碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。每按一定的螺旋角卷曲而成
7、的无缝纳米级管。每层纳米管是一个由碳原子通过层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为的圆柱面。其平面六角晶胞边长为2.46，最最短的碳碳键长短的碳碳键长1.42。 分类分类：根据制备方法和条件的不同，碳纳米管：根据制备方法和条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管和单壁碳纳米管(SWNTs)两种形式。两种形式。(MWNTs)的层间接近的层间接近ABAB堆垛，其层数堆垛，其层数从从250不等，层间距为不等，层间距为0.340.01nm
8、，与石墨与石墨层间距层间距(0.34nm)相当。相当。MWNTs的典型直径和的典型直径和长度分别为长度分别为230nm和和0.150m，SWNTs典典型的直径和长度分别为型的直径和长度分别为0.753nm和和150。碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为到右为SWNT，MWNT（包含（包含2层、层、3层、层、4层石墨片层）层石墨片层）FromRef.3,63碳纳米管的制备纯化与表面修饰碳纳米管的制备纯化与表面修饰 （1）碳纳米管的制备方法）碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法很多，到目前为止，碳纳米管的制备方法很多，到目前为止，人们尝试了多种制备方法，如
9、石墨电弧法、热人们尝试了多种制备方法，如石墨电弧法、热解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉积法（催化分解法）等等。其中，电弧放电积法（催化分解法）等等。其中，电弧放电（arcdischarge）、激光蒸发（）、激光蒸发（laserablation）和化学气相沉积（）和化学气相沉积（Chemicalvapordeposition,CVD）是碳纳米管的主要制备方法。）是碳纳米管的主要制备方法。当今世界公开报道当今世界公开报道高质、高效、连续大批高质、高效、连续大批量工业化生产碳纳米管的实例量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、：沸腾床催化法、化学气相
10、沉积法化学气相沉积法 碳纳米管结构示意图碳纳米管结构示意图(A)椅形单壁碳纳米管椅形单壁碳纳米管(B)Z字形单壁碳纳米管字形单壁碳纳米管(C)手性单壁碳纳米管手性单壁碳纳米管(D)螺旋状碳纳米管螺旋状碳纳米管(E)多壁碳纳米管截面图多壁碳纳米管截面图（A）电弧放电法电弧放电法：其方法及设备与制备其方法及设备与制备60的的方法和设备都较相似。阴极采用厚约方法和设备都较相似。阴极采用厚约10mm，直径约为直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极的高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约为采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持在的石墨棒，整个系统保持在气压约气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为的氦
11、气气氛中，放电电流为50左右，放电电压左右，放电电压20。通过调节阳极进给速度，。通过调节阳极进给速度，可以保持在阳极不断可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同消耗和阴极不断生长的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可以得时，两电极的放电端面距离不变，从而可以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可能产到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可能产生碳纳米微粒。生碳纳米微粒。 特点：特点：产量很低，仅局限在实验室中应用，不产量很低，仅局限在实验室中应用，不适于大批量连续生产。适于大批量连续生产。 (B)热解法热解法：这种方法也很简单，将一块基板放这种方法也很简单，将一块基板放进加热炉里加热至进加热炉
12、里加热至600，然后慢慢充入甲烷，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。 优点：优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的最容易实现产业化，也可能制备很长的碳纳米管。碳纳米管。 缺点：缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。 （C）化学气相沉积法化学气相沉积法(催化热裂解法催化热裂
13、解法) )CVD法是一种发展比较成熟的制备碳纳米管特别是法是一种发展比较成熟的制备碳纳米管特别是SWNTs的技术。通过激光等将过渡金属微粒和碳氢化合物同的技术。通过激光等将过渡金属微粒和碳氢化合物同时加热到高温而使碳氢化合物发生热解而产生的。时加热到高温而使碳氢化合物发生热解而产生的。基本原理：基本原理：以含碳气体（一般为烃类气体或以含碳气体（一般为烃类气体或CO）为给料气体）为给料气体（feedstock）供给碳源，在金属催化剂（过渡金属如）供给碳源，在金属催化剂（过渡金属如Fe、Co、Mo、Ni等及其氧化物）的作用下直接在衬底表面裂解合成出等及其氧化物）的作用下直接在衬底表面裂解合成出SW
14、NTs。特点：特点：由于制备时温度较低（一般控制在由于制备时温度较低（一般控制在5001000)，生成，生成的的SWNTs缺陷较少，同时设备简单、产率较高、条件易控，缺陷较少，同时设备简单、产率较高、条件易控，CVD技术有着很好的工业化前景。技术有着很好的工业化前景。参数控制：参数控制：通过施加电场和控制给料的气流方向，可以对通过施加电场和控制给料的气流方向，可以对SWNTs的生长方向进行控制；而通过控制作为催化剂的纳米的生长方向进行控制；而通过控制作为催化剂的纳米颗粒尺寸大小，可以控制合成的颗粒尺寸大小，可以控制合成的SWNTS的直径范围。的直径范围。机理机理:与电弧放电法类似，主要是将一根
15、金属催化剂与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂/石石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管则置墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至于一加热炉内。当炉温升至1200时，将惰性气体时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成碳纳米管。成碳纳米管。研究者：研究者：Rice大学的大学的RichardSmally和他的
16、合作者和他的合作者产率：产率：在催化剂合适的条件下，可大量制备单层碳纳米在催化剂合适的条件下，可大量制备单层碳纳米管，一般产率可达管，一般产率可达70%。优点：优点：主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可控主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可控制管的直径。制管的直径。缺点：缺点：需要非常昂贵的激光器，所以此法耗费最的大。需要非常昂贵的激光器，所以此法耗费最的大。(D)激光法激光法（E）长碳纳米管束制造新方法长碳纳米管束制造新方法 中国清华大学和美国伦塞勒理工学院的研究人中国清华大学和美国伦塞勒理工学院的研究人员，员，制造出的碳纳米管束最长达到了制造出的碳纳米管束最长达到了20厘米厘米，状
17、如人，状如人的发丝。这一成果是向制造可用于电子设备的微型导的发丝。这一成果是向制造可用于电子设备的微型导线等迈出的重要一步。线等迈出的重要一步。中美科学家在研究中中美科学家在研究中对合成对合成碳纳米管常用的化学碳纳米管常用的化学气相淀积方法进行了改进气相淀积方法进行了改进。改进结果显示，在化学气。改进结果显示，在化学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后，相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后，不仅不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米管束可能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排列组成由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排列组成。 研究
18、人员认为，他们的新方法作为一种更为简便研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便的替代工艺，也许还可以的替代工艺，也许还可以用来生产高纯度的单层碳纳用来生产高纯度的单层碳纳米管材料米管材料。（2）碳纳米管的纯化碳纳米管的纯化常用的提纯方法常用的提纯方法：氧化法、过滤法、气相沉积：氧化法、过滤法、气相沉积法、离心分离法。法、离心分离法。氧化法的基本思想氧化法的基本思想：碳纳米管两端活性较强，：碳纳米管两端活性较强，所以氧化先从端口开始，由于端口长度与纳所以氧化先从端口开始，由于端口长度与纳米杂质粒子及无定形碳的长度相差几个数量米杂质粒子及无定形碳的长度相差几个数量级，因此，在相同的速度下氧化，杂
19、质粒子级，因此，在相同的速度下氧化，杂质粒子和无定形碳先被氧化掉，最后只剩较为纯净、和无定形碳先被氧化掉，最后只剩较为纯净、甚至被打开端口的碳管。甚至被打开端口的碳管。 常用提纯方法：常用提纯方法：物理法和化学法两大类。物理法和化学法两大类。n物理法：物理法：根据碳纳米管与杂质的根据碳纳米管与杂质的物理性质的不同物理性质的不同这这特点，主要指利用超声波降解、离心、沉积和过滤而特点，主要指利用超声波降解、离心、沉积和过滤而将其分离。物理法对于提纯单壁碳纳米管是一种有效将其分离。物理法对于提纯单壁碳纳米管是一种有效的方法。的方法。n化学法：化学法：主要是用碳纳米管与杂质的主要是用碳纳米管与杂质的氧
20、化速度不同氧化速度不同而而除去杂质来提纯碳纳米管。除去杂质来提纯碳纳米管。n常用的氧化剂：常用的氧化剂：空气、硝酸、混酸、重铬酸钾等，或空气、硝酸、混酸、重铬酸钾等，或几种氧化剂相结合且分步来氧化提纯碳纳米管。几种氧化剂相结合且分步来氧化提纯碳纳米管。n基本原理：基本原理：优先氧化碳纳米管管壁周围悬挂的五元环优先氧化碳纳米管管壁周围悬挂的五元环和七元环，而没有悬挂键的六元环需要较长时间才能和七元环，而没有悬挂键的六元环需要较长时间才能被氧化。当碳纳米管的封口遭到破坏，由六元环组成被氧化。当碳纳米管的封口遭到破坏，由六元环组成的管壁被氧化的速率十分缓慢，而碳颗粒则一层层被的管壁被氧化的速率十分缓
21、慢，而碳颗粒则一层层被氧化，最后只剩下碳纳米管，从而达到提纯的目的。氧化，最后只剩下碳纳米管，从而达到提纯的目的。（A）氧气（或空气）氧化法）氧气（或空气）氧化法 该方法有该方法有Ajayan和和Ebbesen等提出等提出11。他们将电弧放电法制备的碳纳米混合物在空气他们将电弧放电法制备的碳纳米混合物在空气中加热到中加热到700以上时，重量发生损失。在以上时，重量发生损失。在850温度下加热温度下加热15min后，样品全部消失，后，样品全部消失，他们发现当样品损失率达到他们发现当样品损失率达到99%以上时，残以上时，残留的样品基本上全部是碳纳米管。留的样品基本上全部是碳纳米管。 缺点：缺点：该
22、反应的选择性较差，碳纳米颗粒被氧该反应的选择性较差，碳纳米颗粒被氧化侵蚀的过程要持续一个较长时间，而且纳米化侵蚀的过程要持续一个较长时间，而且纳米颗粒与纳米管交织在一起，当碳纳米颗粒基本颗粒与纳米管交织在一起，当碳纳米颗粒基本上全部去除时，多层碳纳米管的管壁也被氧化上全部去除时，多层碳纳米管的管壁也被氧化侵蚀掉，最后剩下单层的碳纳米管。侵蚀掉，最后剩下单层的碳纳米管。（B）CO2 氧化法氧化法 该法由英国学者该法由英国学者Tsang 等等13将电弧放将电弧放电法所得的阴极沉积物放入一个两端有塞子的电法所得的阴极沉积物放入一个两端有塞子的石英管中，在石英管中，在850下通入下通入CO2 (20m
23、L/ min) ，持续，持续5h 后，约有后，约有10(wt)%损失，此损失，此时碳纳米管的封口被打开。继续加热，碳纳米时碳纳米管的封口被打开。继续加热，碳纳米颗粒、碳纳米球、无定形炭将被氧化烧蚀，被颗粒、碳纳米球、无定形炭将被氧化烧蚀，被氧化除去。而且当氧化时间足够时，氧化除去。而且当氧化时间足够时，MWNTs的管壁会受到侵蚀，从而变成的管壁会受到侵蚀，从而变成SWNTs。 （C）浓硝酸氧化法）浓硝酸氧化法n将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、洗涤至中性，经真空干燥、研
24、磨后既得到纯化洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化处理的碳纳米管处理的碳纳米管14。n优点：优点：经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的CNTs，其基本结构未发生本质变化，而表面，其基本结构未发生本质变化，而表面活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝酸氧化处理是酸氧化处理是CNTs表面活化的有效方法。表面活化的有效方法。（3）碳纳米管的表面修饰）碳纳米管的表面修
25、饰定义定义：碳纳米管的修饰是指通过溴水、重铬酸钾、混酸：碳纳米管的修饰是指通过溴水、重铬酸钾、混酸等氧化剂氧化碳纳米管的端口和侧壁，在其上引进一等氧化剂氧化碳纳米管的端口和侧壁，在其上引进一些基团，从而克服碳纳米管间的短程作用力。些基团，从而克服碳纳米管间的短程作用力。分类：分类： 按修饰部位按修饰部位：端头修饰、侧壁修饰；：端头修饰、侧壁修饰； 端头修饰是化学修饰中最常见的一种。碳纳米管可端头修饰是化学修饰中最常见的一种。碳纳米管可以被视为线性富勒烯分子，其端头是由碳的五元环和以被视为线性富勒烯分子，其端头是由碳的五元环和六元环组成的半球形，具有球形富勒烯的凸起结构，六元环组成的半球形，具有
26、球形富勒烯的凸起结构，强氧化剂可将端头打开而氧化成羧基，从而与其它的强氧化剂可将端头打开而氧化成羧基，从而与其它的化学试剂反应，引入增溶基。同时，碳纳米管侧壁碳化学试剂反应，引入增溶基。同时，碳纳米管侧壁碳原子的原子的SP2杂化形成大量的高度离域化杂化形成大量的高度离域化电子，这些电子，这些电子可以被用来与其他化合物通过电子可以被用来与其他化合物通过-非共价键作用非共价键作用相结合，得到修饰的碳纳米管。相结合，得到修饰的碳纳米管。按修饰方法按修饰方法：重氮盐电化学修饰、化学掺杂等。：重氮盐电化学修饰、化学掺杂等。按修饰的性质按修饰的性质：共价功能化、非共价功能化：共价功能化、非共价功能化(A)
27、共价功能化共价功能化定义定义：通过共价键联接来修饰碳纳米管的方法：通过共价键联接来修饰碳纳米管的方法分类：分类： 碳纳米管的酰胺化碳纳米管的酰胺化 、碳纳米管的酯化、氟化、碳纳米管的酯化、氟化、芳基重氮化芳基重氮化 、HTAB修饰碳纳米管修饰碳纳米管 、柠檬酸、柠檬酸 、碳纳米管化学镀镍及热处理碳纳米管化学镀镍及热处理 (B)非共价功能化非共价功能化定义定义：通过对：通过对CNTs进行物理吸附和包裹来修饰进行物理吸附和包裹来修饰碳纳米管的方法碳纳米管的方法分类分类： 离子液体修饰碳纳米管离子液体修饰碳纳米管 、表面活性剂、表面活性剂 （十二（十二烷基磺酸钠烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠
28、和十二烷基苯磺酸钠(SDBS) ）、聚间亚苯基亚乙烯（）、聚间亚苯基亚乙烯（PmPV） 等等 （1）力学性能）力学性能：sp2杂化形成的杂化形成的C=C共价键是自然界共价键是自然界最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性及最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由于碳弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传统实验纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对碳纳米管方法测量其力学性能比较困难，因此最初对碳纳米管力学性能的研究集中在力学性能的研究集中在理论预测理论
29、预测上。上。初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的100倍。倍。Lieber运用运用STM技术测试了碳纳米管的弯曲强度，证技术测试了碳纳米管的弯曲强度，证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此用碳明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得超强的纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得超强的耐磨性耐磨性和和自润滑性自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高，其耐磨性要比轴承钢高100倍，倍，摩擦系数为摩擦系数为0.060.1，且还发现该复合镀层还具有，且还发现该复合镀层还具有高高的热稳定性的热稳定性和和耐腐蚀性耐腐蚀性等性能。等性
30、能。4 碳纳米管的基本性质碳纳米管的基本性质 耐磨性耐磨性：利用碳纳米管的高耐磨性，可以用其：利用碳纳米管的高耐磨性，可以用其制造刀具和模具等。这不仅能够提高产品的耐制造刀具和模具等。这不仅能够提高产品的耐磨性，还能提高产品的期限，若能实现产业化，磨性，还能提高产品的期限，若能实现产业化，其效益将是非常巨大的。其效益将是非常巨大的。 自润滑性自润滑性：利用碳纳米管的自润滑性，可以用：利用碳纳米管的自润滑性，可以用来制造润滑材料，关于这一点，已取得了一些来制造润滑材料，关于这一点，已取得了一些成果成果作为针尖作为针尖：1996年年Smalley用一个碳纳米管修用一个碳纳米管修饰的针尖观察到了原子
31、缝底的情况，饰的针尖观察到了原子缝底的情况，Lieber用用这个方法研究生物分子，解决了许多这个方法研究生物分子，解决了许多STM针尖针尖无法解决的问题，其分辨率也高。无法解决的问题，其分辨率也高。理论估计其理论估计其杨氏模量杨氏模量高达高达5TPa，实验测得，实验测得平均为平均为1.8TPa，比一般的碳纤维高一个数量级，比一般的碳纤维高一个数量级，与金刚石的模量几乎相同，为已知材料的最高与金刚石的模量几乎相同，为已知材料的最高模量；模量；弯曲强度弯曲强度14.2GPa，所存应变能达，所存应变能达100KeV，是最好微米级晶须的两倍；其，是最好微米级晶须的两倍；其弹性弹性应变应变可达可达518
32、，约为钢的，约为钢的60倍；其强度约倍；其强度约为钢的为钢的100倍，而倍，而密度密度约为约为1.22.1g/cm3，仅，仅为钢的为钢的1/61/7。碳纳米管还有。碳纳米管还有超高的韧性超高的韧性，理论估算它的最大延伸率可达理论估算它的最大延伸率可达20%。（2）电学性能）电学性能：碳纳米管与石墨一样，碳原子：碳纳米管与石墨一样，碳原子之间是之间是sp2杂化，每个碳原子有一个未成对电杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的子位于垂直于层片的轨道上，因此碳纳米管轨道上，因此碳纳米管具有优良的导电性能。但随网格构型（螺旋角）具有优良的导电性能。但随网格构型（螺旋角）和直径的不同，其导电性可
33、呈现和直径的不同，其导电性可呈现金属、半金属金属、半金属或或半导体半导体性，因而碳纳米管的传导性可通过改性，因而碳纳米管的传导性可通过改变管中变管中网络结构网络结构和和直径直径来变化。来变化。 直径与螺旋结构主要由手性矢量所决定，直径与螺旋结构主要由手性矢量所决定，当手性矢量符合一定数时，单壁碳纳米管为当手性矢量符合一定数时，单壁碳纳米管为金金属导电性属导电性，否则为，否则为半导体导电性半导体导电性。当然，由于。当然，由于某些特别的缺陷也可能导致同一碳纳米管既具某些特别的缺陷也可能导致同一碳纳米管既具有金属的导电性又具有半导体的导电性。有金属的导电性又具有半导体的导电性。 （3）优异的磁性优异
34、的磁性：应用领域有功率变压器、：应用领域有功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、互感器磁脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、互感器磁头、磁开关和传感器等。它将成为铁氧体的有头、磁开关和传感器等。它将成为铁氧体的有力的竞争者。新近发现的碳纳米管软磁材料的力的竞争者。新近发现的碳纳米管软磁材料的高频场中具有巨磁阻抗效应。高频场中具有巨磁阻抗效应。（4）良好的储氢性能良好的储氢性能：碳纳米管具有比活性炭：碳纳米管具有比活性炭更大的比表面积，且具有大量的微孔，因此被更大的比表面积，且具有大量的微孔，因此被认为是最好的储氢材料。认为是最好的储氢材料。 （5）良好的吸波性能良好的吸波性能：由于碳管的独特
35、分子：由于碳管的独特分子结构，特别是螺旋状纳米碳管，将其做成的吸结构，特别是螺旋状纳米碳管，将其做成的吸波材料波材料(材料材料)具有比一般吸收材料高得多的具有比一般吸收材料高得多的光吸收率。人们可利用其这一特性着手研究在光吸收率。人们可利用其这一特性着手研究在军事隐形、蓄能、吸波等方面的应用。军事隐形、蓄能、吸波等方面的应用。 例例：沈曾民等研究表明：用化学镀方法在碳纳米管的：沈曾民等研究表明：用化学镀方法在碳纳米管的表面镀上一层均匀的过渡金属镍。碳纳米管吸波涂层表面镀上一层均匀的过渡金属镍。碳纳米管吸波涂层在厚度为在厚度为0.97mm时，在时，在8GHz18GHz，-10dB的的频宽为频宽为
36、3.0，-5dB的频宽为的频宽为4.7GHz。镀镍碳纳米镀镍碳纳米管吸波涂层在厚度为管吸波涂层在厚度为0.97nm时，时，-10dB的频宽为的频宽为2.23GHz，-5dB的频宽为的频宽为4.6GHz。碳纳米管表碳纳米管表面镀镍后虽然吸收峰值变小，但吸收峰有宽化的趋势面镀镍后虽然吸收峰值变小，但吸收峰有宽化的趋势，这种趋势对提高材料的吸波性能是有利的。这种趋势对提高材料的吸波性能是有利的。 含碳纳米管偶极子吸波涂层的主要吸波机理含碳纳米管偶极子吸波涂层的主要吸波机理：在含：在含碳纳米管的吸波涂层中，碳纳米管作为偶极子在电磁碳纳米管的吸波涂层中，碳纳米管作为偶极子在电磁场的作用下，会产生耗散电流
37、，在周围基体作用下，场的作用下，会产生耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，从而电磁波能量转换为其它形式的耗散电流被衰减，从而电磁波能量转换为其它形式的能量，主要为热能。能量，主要为热能。 （6）光学性能）光学性能碳纳米管具有卓越的发光性质，特别是碳纳米管具有卓越的发光性质，特别是稳定的发射光谱，很高的发光强度以及优秀的波长转稳定的发射光谱，很高的发光强度以及优秀的波长转换功能换功能，电致发光方面低压、节能、稳定等优点使得，电致发光方面低压、节能、稳定等优点使得它具有广阔的应用前景。它具有广阔的应用前景。2004年，年，Wei等发表了关于碳纳米管可以作为灯丝的初等发表了关于碳纳米管可以作
38、为灯丝的初步研究成果，提出了碳纳米管电灯泡的概念。该项成步研究成果，提出了碳纳米管电灯泡的概念。该项成果得到世界著名刊物果得到世界著名刊物Science和和Nature的高度评价。的高度评价。Dickey等用化学气相沉积等用化学气相沉积(CVD)法将钌掺入碳纳米法将钌掺入碳纳米管中制备了管中制备了Ru掺杂的碳纳米管阵列，该碳纳米管在可掺杂的碳纳米管阵列，该碳纳米管在可见光区有荧光发射呈现绿色。见光区有荧光发射呈现绿色。Sun等通过等通过把铕掺入碳纳米管中，使其荧光峰略向把铕掺入碳纳米管中，使其荧光峰略向长波方向移动，为碳纳米管在光电子器件方面的应用长波方向移动，为碳纳米管在光电子器件方面的应用
39、提供了可能。提供了可能。 碳纳米管还具有良好的光限幅性质，可以作为一种碳纳米管还具有良好的光限幅性质，可以作为一种新型的激光防护材料。新型的激光防护材料。（7）热学性能）热学性能研究人员最近发现碳纳米管是目研究人员最近发现碳纳米管是目前世界上最好的导热材料。碳纳米管依靠前世界上最好的导热材料。碳纳米管依靠超声超声波波传递热能，其传递速度可达传递热能，其传递速度可达每秒每秒1万米万米。同。同时发现时发现的还有，即使将碳纳米管捆在一起，热的还有，即使将碳纳米管捆在一起，热量也不会从一个碳纳米管传到另一个碳纳米管，量也不会从一个碳纳米管传到另一个碳纳米管，这说明碳纳米管这说明碳纳米管只能沿一维方向传
40、递热能只能沿一维方向传递热能。 碳纳米管的这种优异的导热性能，将使它碳纳米管的这种优异的导热性能，将使它有望成为今后超高速运算的有望成为今后超高速运算的计算机芯片导热板计算机芯片导热板，也可以用于发动机和火箭等各种高温部件的也可以用于发动机和火箭等各种高温部件的防防护材料护材料。原因原因：碳纳米管的热学性能不仅与组成它的：碳纳米管的热学性能不仅与组成它的石墨石墨片本质片本质有关，而且与其有关，而且与其独特的结构和尺寸独特的结构和尺寸有关。有关。石墨的内平面热传导率仅次于一定形式的掺杂石墨的内平面热传导率仅次于一定形式的掺杂金刚石。碳纳米管反映了石墨的内平面特性，金刚石。碳纳米管反映了石墨的内平
41、面特性，故而它的热传导率非常高。故而它的热传导率非常高。 单独一根多壁碳纳米管单独一根多壁碳纳米管的室温热导率预计的室温热导率预计达达3000W/mK，单独一根单壁碳纳米管室温热，单独一根单壁碳纳米管室温热导率达导率达6000W/mK，而单壁碳纳米管束的室温，而单壁碳纳米管束的室温热导率大于热导率大于200W/mK63。（8）化学性能）化学性能在催化研究方面，碳纳米管已被用于分在催化研究方面，碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择性。化剂可以改善多相催化的选择性。Louv曾报道了直曾报道了直接用碳
42、纳米管做催化剂分解接用碳纳米管做催化剂分解NO，在，在873K有有100%的转换率。的转换率。用作合成用作合成模板模板：碳纳米管的直径处于纳米级，长度：碳纳米管的直径处于纳米级，长度则可达数微米至数毫米，因而具有很大的长径比，是则可达数微米至数毫米，因而具有很大的长径比，是准一维的量子线。利用这种一维中空的结构作模板，准一维的量子线。利用这种一维中空的结构作模板，对其进行填充、包裹和空间限制反应可合成其他一维对其进行填充、包裹和空间限制反应可合成其他一维纳米结构的材料。有人利用碳纳米管的管状腔进行管纳米结构的材料。有人利用碳纳米管的管状腔进行管道有机合成，预言在有机合成、道有机合成，预言在有机
43、合成、 生物化学以及制药生物化学以及制药化学领域有重要意义。化学领域有重要意义。5 碳纳米管的相关应用碳纳米管的相关应用 美国和巴西科学家的一项最新美国和巴西科学家的一项最新研究，发现了碳纳米管薄层在受到研究，发现了碳纳米管薄层在受到拉伸或压缩时，可以表现出一种超拉伸或压缩时，可以表现出一种超乎想象的力学性质。这一成果有望乎想象的力学性质。这一成果有望为碳纳米管带来巨大的应用前景，为碳纳米管带来巨大的应用前景，比如制造比如制造人工肌肉、传感器人工肌肉、传感器等。等。 大多数材料在朝一个方向拉伸大多数材料在朝一个方向拉伸时，另一个方向就会变细变窄。这时，另一个方向就会变细变窄。这种现象可以用泊松
44、比种现象可以用泊松比(侧向收缩比例侧向收缩比例与实际伸长比例的比值与实际伸长比例的比值)来定量描述。来定量描述。然而，最新研究发现，一种特殊的然而，最新研究发现，一种特殊的碳纳米管薄层碳纳米管薄层(也称也称巴克纸巴克纸)却能够在却能够在拉伸和均匀压缩时，长度和宽度同拉伸和均匀压缩时，长度和宽度同时增加。也就是说这种材料具有负时增加。也就是说这种材料具有负的泊松比。的泊松比。 巴克纸中的多巴克纸中的多壁碳纳米管在壁碳纳米管在原子力显微镜原子力显微镜下的图像下的图像碳纳米管薄层碳纳米管薄层具有独特力学性质具有独特力学性质n研究人员发现，随着多壁碳管在薄层中的增加，研究人员发现，随着多壁碳管在薄层中
45、的增加，薄层的泊松比会薄层的泊松比会从从0.06突然跃变为突然跃变为-0.20。n新的研究成果具有重要的应用价值，比如设计新的研究成果具有重要的应用价值，比如设计源自碳纳米薄层的复合物，制造人工肌肉、垫源自碳纳米薄层的复合物，制造人工肌肉、垫圈、压力传感器和化学传感器等。尤其是当调圈、压力传感器和化学传感器等。尤其是当调整单壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好为整单壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好为0时，时，这种材料对于设计弯曲时宽度依然不变的感应这种材料对于设计弯曲时宽度依然不变的感应悬臂十分有效。悬臂十分有效。比人体肌肉强比人体肌肉强30倍碳纳米管人造肌肉倍碳纳米管人造肌肉 这种人造肌肉纤维由这种
46、人造肌肉纤维由“成捆成捆”的碳纳米管组成，在电的碳纳米管组成，在电流的刺激下即可在流的刺激下即可在水平方向水平方向上快速伸缩。而在上快速伸缩。而在垂直方向垂直方向上，上，它却极为坚韧。它在单位面积上能够产生的拉力是人体肌它却极为坚韧。它在单位面积上能够产生的拉力是人体肌肉的肉的30倍，伸缩速度也要快得多。人体肌肉纤维每秒钟可倍，伸缩速度也要快得多。人体肌肉纤维每秒钟可收缩收缩10%，而这种人造肌肉则可收缩，而这种人造肌肉则可收缩40000%。当被大幅。当被大幅度拉伸之后，它甚至轻的可以度拉伸之后，它甚至轻的可以在空气中漂浮起来。在空气中漂浮起来。碳纳米管碳纳米管“蜘蛛衣蜘蛛衣” 一教授计划用一
47、种名为碳一教授计划用一种名为碳纳米管的超细纤维来制造纳米管的超细纤维来制造“蜘蛛衣蜘蛛衣”，这种材料内，这种材料内部中空。由于非常微小，部中空。由于非常微小，它具有像壁虎刚毛一样的它具有像壁虎刚毛一样的吸附效果。壁虎、蜘蛛的吸附效果。壁虎、蜘蛛的脚上长满了细小的刚毛，脚上长满了细小的刚毛，能敏锐地寻找到各种固体能敏锐地寻找到各种固体表面的细微凹凸并吸附在表面的细微凹凸并吸附在上面。上面。壁虎抵抗重力的能力来自于足底的刚毛结构蜘蛛衣蜘蛛衣”的吸附力取决于与固体表面的吸附力取决于与固体表面接触处的碳纳米管数量。这种材料的接触处的碳纳米管数量。这种材料的外部直径只有几到几十纳米，相当于外部直径只有几
48、到几十纳米，相当于头头发丝的发丝的1/10万，因此一片手掌大小的万，因此一片手掌大小的纤维中可容纳数十亿的碳纳米管，由纤维中可容纳数十亿的碳纳米管，由此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的200倍。倍。把一双用这种材料制成、手掌把一双用这种材料制成、手掌面积为面积为200平方厘米的高粘力手套粘在平方厘米的高粘力手套粘在屋顶上，可以同时吊起屋顶上，可以同时吊起14个重量为个重量为83公斤的壮汉。公斤的壮汉。当然，要移动也很简单，当然，要移动也很简单，只要沿着表面稍微上下左右挪动一下，只要沿着表面稍微上下左右挪动一下，粘结处就会一点点断开。粘结处就会一点点断开。这种高科技
49、材料在科学方面有非这种高科技材料在科学方面有非常有趣的应用，像常有趣的应用，像在太空中，舱外作在太空中，舱外作业的宇航员就可以穿上这种具有吸盘业的宇航员就可以穿上这种具有吸盘粘附功能的衣服。粘附功能的衣服。据估计，世界第一据估计，世界第一套套“蜘蛛衣蜘蛛衣”有望在有望在2017年前问世。年前问世。高高性能超长碳纳米管材料性能超长碳纳米管材料 强度超过钢强度超过钢 n美国一家公司研制出了一种美国一家公司研制出了一种用碳纳米管制成的轻用碳纳米管制成的轻薄材料，其强度超过钢，传导性能接近铝。使用薄材料，其强度超过钢，传导性能接近铝。使用这种材料能够制作这种材料能够制作轻便防弹衣轻便防弹衣和和高导线缆
50、高导线缆。n这种纳米管比平常的纳米管长得多，长度要以毫这种纳米管比平常的纳米管长得多，长度要以毫米计，而不是以微米计。此外，纳米管加长后可米计，而不是以微米计。此外，纳米管加长后可以更有效地黏合。以更有效地黏合。 n这一制作过程使用了化学气相沉积技术。这一制作过程使用了化学气相沉积技术。在化学在化学气相沉积过程中，碳从一种气体中被压缩出来。气相沉积过程中，碳从一种气体中被压缩出来。由此做成的纳米管就像一种拆开的垫子，必须经由此做成的纳米管就像一种拆开的垫子，必须经过化学处理，使纳米管定向排列，从而导致这种过化学处理，使纳米管定向排列，从而导致这种材料在排列方向上的强度特别大。材料在排列方向上的
51、强度特别大。 碳纳米管防弹衣碳纳米管防弹衣n因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10-100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。御强大的子弹的冲击力。碳纳米管被单碳纳米管被单英国新汉普郡的一个技术公司设法制造出了英国新汉普郡的一个技术公司设法制造出了世界最大的世界最大的碳纳米管被单碳纳米管被单，重新点燃人们思索很久的太空电梯的梦，重新点燃人们思索很久的太空电梯的梦想，想，或许有一天我们会沿着超轻超强的碳纳米管电缆，或许有一天我们会沿着超轻超强的碳纳米
52、管电缆，搭乘太空电梯上太空观光旅行。搭乘太空电梯上太空观光旅行。n此碳纳米管被单面积仅此碳纳米管被单面积仅18平方英尺（约平方英尺（约1.6平平方米），不足以充当一床沙滩毯子，但它包含方米），不足以充当一床沙滩毯子，但它包含有数百亿个纳米管，使其强度为钢的有数百亿个纳米管，使其强度为钢的200倍，倍，但密度小但密度小30倍。倍。n而且，而且，其防火和导电性能很好，因此还可以用其防火和导电性能很好，因此还可以用于微型电子装置中于微型电子装置中。n他们生产的纳米管有几毫米长。此被单是特意他们生产的纳米管有几毫米长。此被单是特意制成的，能保证不脱落碳黑点。制成的，能保证不脱落碳黑点。n此纳米管的最可
53、能应用是此纳米管的最可能应用是生产超轻型合成涂料，生产超轻型合成涂料，用于飞机或太空船上。用于飞机或太空船上。碳纳米管超灵敏探测器碳纳米管超灵敏探测器 可用于细胞可用于细胞 在受到压力时，细胞会吐出一股含有微量氮氧化物和其他有毒物质的气流。最近，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员成功制作了一种超灵敏气体探测器，超灵敏气体探测器，该探测器甚至灵敏到未来也该探测器甚至灵敏到未来也许能探测到一个单细胞的微许能探测到一个单细胞的微量排放，量排放，这为确定药物或纳米粒子是否会损害细胞或研究细胞间如何相互通信提供了一条新途径。碳纳米管造碳纳米管造 世界最黑物质世界最黑物质世界上最黑的物质一直以
54、来是世界上最黑的物质一直以来是一种镍磷合金一种镍磷合金。但是日前，美。但是日前，美国科学家宣布他们已经刷新记录，制造出了国科学家宣布他们已经刷新记录，制造出了地球上最黑的物质，地球上最黑的物质，比镍磷合金还要黑上三倍，能够吸收比镍磷合金还要黑上三倍，能够吸收99.9%的光线。的光线。美国标准与技术研究院将一种碳物质作为现行的黑色标准，美国标准与技术研究院将一种碳物质作为现行的黑色标准，但此物质比其还要黑上三十倍。这正是是科学家们长久以来苦苦但此物质比其还要黑上三十倍。这正是是科学家们长久以来苦苦寻找的理想黑色，它可以吸收所有的色光但是不反射。此物质的寻找的理想黑色，它可以吸收所有的色光但是不反
55、射。此物质的反射指数是反射指数是0.045，相比之下，我们一般使用的黑漆的反射指，相比之下，我们一般使用的黑漆的反射指数则是数则是5到到10。此物质可用于转换太阳能，也可用于红外线检测或天文观测。此物质可用于转换太阳能，也可用于红外线检测或天文观测。该物质该物质主要由比头发还要主要由比头发还要细上细上400倍的碳纳米管组倍的碳纳米管组成，从而帮助其吸收光线。成，从而帮助其吸收光线。目前，研究者们正将研究目前，研究者们正将研究范围扩大到可见光之外，范围扩大到可见光之外，探测此物质对于紫外线以探测此物质对于紫外线以及其他在通讯系统中的不及其他在通讯系统中的不同波长的光的作用。如果同波长的光的作用。
56、如果研究结果有突破，研究结果有突破，将在军将在军事和国防中得到重大利用。事和国防中得到重大利用。物质主要由碳纳米管组成物质主要由碳纳米管组成柔性碳纳米管柔性碳纳米管“扬声器扬声器” n中国科学家最新研中国科学家最新研究发现，碳纳米管究发现，碳纳米管薄膜在有音频电流薄膜在有音频电流通过时，会具有类通过时，会具有类似似“扬声器扬声器”的功的功能。能。n这些这些“扬声器扬声器”的的厚度只有几十纳米，厚度只有几十纳米，而且是透明、柔软而且是透明、柔软和可伸长的，它们和可伸长的，它们可以被裁剪为任意可以被裁剪为任意形状和大小。形状和大小。 n与人们常见的扬声器不同，新开发出的纳米器件没与人们常见的扬声器
57、不同，新开发出的纳米器件没有磁体或者可移动的部件。有磁体或者可移动的部件。n制备该器件的过程如下制备该器件的过程如下：首先在：首先在4英寸的硅基上英寸的硅基上生长直径生长直径10纳米的碳纳米管，然后将它们转化成宽纳米的碳纳米管，然后将它们转化成宽10厘米长厘米长60米的连续的薄膜，这足以制造米的连续的薄膜，这足以制造500个面积个面积为为10平方厘米的平方厘米的“扬声器扬声器”。随后，研究人员又将。随后，研究人员又将两个电极附在薄膜上。如此一来，两个电极附在薄膜上。如此一来，只要在其上简单只要在其上简单地施加一个正弦电压，碳纳米管地施加一个正弦电压，碳纳米管“扬声器扬声器”就会由就会由于热声效
58、应而发出声音。于热声效应而发出声音。该纳米该纳米扬声器扬声器有望打开制造扬声器和其他有望打开制造扬声器和其他声学设备的新应用和新方法声学设备的新应用和新方法，它可以安置在任何表，它可以安置在任何表面，包括墙壁、天花板、窗户、旗帜和衣服等。面，包括墙壁、天花板、窗户、旗帜和衣服等。碳纳米管可提高油田产量碳纳米管可提高油田产量 n日本信州大学的科学家开发日本信州大学的科学家开发出出在石油工业中使用碳纳米在石油工业中使用碳纳米管来提高油田产量的技术，管来提高油田产量的技术，有望实现产量大幅度提高。有望实现产量大幅度提高。n在钻井系统中使用碳纳米管在钻井系统中使用碳纳米管可以开采到蕴藏在更深处的可以开
59、采到蕴藏在更深处的石油，石油，将油井的产量提高将油井的产量提高35%到到70%。n高温和高压是影响油田产量高温和高压是影响油田产量的主要障碍，在石油开采过的主要障碍，在石油开采过程中，程中，在钻探杆中使用碳纳在钻探杆中使用碳纳米管能够使钻井工具承受米管能够使钻井工具承受260摄氏度的高温和每平方摄氏度的高温和每平方厘米厘米2.4吨的压力。吨的压力。装备有纳米管的超微吸管装备有纳米管的超微吸管n日本一个研究小组开发出一种装备有机纳米管日本一个研究小组开发出一种装备有机纳米管的超微吸管，的超微吸管，能喷出万亿分之一毫升的液体。能喷出万亿分之一毫升的液体。n该发明该发明可望应用于医疗和生物领域，比如
60、向单可望应用于医疗和生物领域，比如向单个细胞内注入极其微量的物质或吸取细胞成分个细胞内注入极其微量的物质或吸取细胞成分等。等。n有机纳米管由碳、氧、氮和氢分子构成，内径有机纳米管由碳、氧、氮和氢分子构成，内径50纳米，长纳米，长10微米。它可以装在内径微米。它可以装在内径1800纳米纳米的玻璃微吸管尖端上，组成一个超微吸管。的玻璃微吸管尖端上，组成一个超微吸管。n通过施加电压，吸管内的液体就会喷射出来，通过施加电压，吸管内的液体就会喷射出来，喷射量可通过调整电压控制，其精度比以往微喷射量可通过调整电压控制，其精度比以往微吸管提高了上万倍。吸管提高了上万倍。碳纳米管具有独特催化性能碳纳米管具有独
61、特催化性能 纳米碳管与纳米粒子纳米碳管与纳米粒子“协同束缚效应协同束缚效应”示意图示意图研究结果表明，研究结果表明，组装在内径为组装在内径为4-8纳米的多壁碳管内的纳米的多壁碳管内的Rh-Mn催化催化剂，催化生成碳二含氧化合物的剂，催化生成碳二含氧化合物的产率明显高于直接担载在相同碳产率明显高于直接担载在相同碳管外壁的催化剂，管外壁的催化剂，当添加金属铁当添加金属铁和锂等助剂后，每小时在每摩尔和锂等助剂后，每小时在每摩尔铑催化剂上生成的乙醇量高达铑催化剂上生成的乙醇量高达84摩尔。这类复合催化剂摩尔。这类复合催化剂上所表现上所表现出的独特催化性能为碳纳米管和出的独特催化性能为碳纳米管和金属纳米
62、粒子体系的金属纳米粒子体系的“协同束缚协同束缚效应效应”所致。所致。Fe2O3纳米粒子在碳纳米纳米粒子在碳纳米管管道内外的组装管管道内外的组装（JACS2006）Fe2O3纳米粒子还原特性随碳纳米管纳米粒子还原特性随碳纳米管直径的变化，其中直径的变化，其中右图是组装在内径右图是组装在内径为为4-8nm碳管内样品的原位碳管内样品的原位X-射线衍射线衍射谱图射谱图（JACS2007）该研究在理论上的一个重要进展是发现并证实了该研究在理论上的一个重要进展是发现并证实了该研究在理论上的一个重要进展是发现并证实了该研究在理论上的一个重要进展是发现并证实了碳碳碳碳纳米管的束缚效应对组装在其管道内的金属和它
63、的氧纳米管的束缚效应对组装在其管道内的金属和它的氧纳米管的束缚效应对组装在其管道内的金属和它的氧纳米管的束缚效应对组装在其管道内的金属和它的氧化物的氧化还原特性的调变作用。化物的氧化还原特性的调变作用。化物的氧化还原特性的调变作用。化物的氧化还原特性的调变作用。n研究结果表明，研究结果表明，分别被置于碳纳米管内和外壁的金属氧化物的还原特性有明显差异。n采用内径为采用内径为4-8纳米的多壁碳纳米的多壁碳管，组装在其管道内的氧化铁管，组装在其管道内的氧化铁纳米粒子还原为金属铁的温度纳米粒子还原为金属铁的温度比位于外壁的粒子降低了近比位于外壁的粒子降低了近200摄氏度，随着所采用的碳摄氏度，随着所采
64、用的碳管内径的减小，其还原温度同管内径的减小，其还原温度同步下降。相同条件下，金属铁步下降。相同条件下，金属铁被氧化为铁氧化物的特性也受被氧化为铁氧化物的特性也受到碳管的明显调制，管内金属到碳管的明显调制，管内金属铁的氧化反应活化能升高了铁的氧化反应活化能升高了4千焦耳千焦耳/摩尔左右，这意味着摩尔左右，这意味着在相同条件下，置于碳管内的金属铁的氧化(如腐蚀等)速率将会被明显减缓。纳米碳管内外的纳米碳管内外的Rh-Mn催催化剂催化合成气制乙醇的化剂催化合成气制乙醇的特性特性碳纳米管涂料可作加热层碳纳米管涂料可作加热层 n英国研究人员发现，英国研究人员发现，一种透明的含碳纳米管涂料可以一种透明的
65、含碳纳米管涂料可以通过加热来清洁挡风玻璃或镜子，加厚的不透明涂层通过加热来清洁挡风玻璃或镜子，加厚的不透明涂层则可以把楼房的整个地板变成暖气装置。则可以把楼房的整个地板变成暖气装置。n这种涂料可以喷在任何物体表面，它的液体底料含有这种涂料可以喷在任何物体表面，它的液体底料含有可导电的纳米管混合物。随着液体变干，纳米管在涂可导电的纳米管混合物。随着液体变干，纳米管在涂料内形成可让电流通过的传导网，从而使整个涂层变料内形成可让电流通过的传导网，从而使整个涂层变热。热。n我们能用一种透明涂层加热整个表面，它可以用来清我们能用一种透明涂层加热整个表面，它可以用来清洁沾了水或结了冰的挡风玻璃或镜子。洁沾
66、了水或结了冰的挡风玻璃或镜子。n研究人员希望这项技术能研究人员希望这项技术能取代汽车挡风玻璃的嵌入式取代汽车挡风玻璃的嵌入式电阻丝加热装置。电阻丝加热装置。n除了比电阻丝加热更均匀以外，除了比电阻丝加热更均匀以外，纳米管涂层的抗损性纳米管涂层的抗损性能也很好能也很好。电阻丝一断，整个加热器就不起作用了，。电阻丝一断，整个加热器就不起作用了，而而这种新式涂层在有断裂的情况下仍能加热。这种新式涂层在有断裂的情况下仍能加热。“缺陷缺陷”碳纳米管薄膜可改善太阳能电池表碳纳米管薄膜可改善太阳能电池表现现 碳纳米管薄膜可碳纳米管薄膜可以用来替换太阳以用来替换太阳能电池中通常使能电池中通常使用的两层物质，用
67、的两层物质，要让碳纳米管薄要让碳纳米管薄膜胜任这一位置，膜胜任这一位置，必须向其中添加必须向其中添加一些一些“缺陷缺陷”。新的研究结果有新的研究结果有望望在降低成本的在降低成本的同时，提高太阳同时，提高太阳能电池的表现。能电池的表现。n太阳能电池中有一类名为太阳能电池中有一类名为染料敏化太阳染料敏化太阳能电池能电池，它们内部有一层透明且可导电，它们内部有一层透明且可导电的的氧化物薄膜氧化物薄膜。n此外，染料敏化电池内部还有一层单独此外，染料敏化电池内部还有一层单独的的铂薄膜铂薄膜，作为加速相关化学反应的催，作为加速相关化学反应的催化剂。不过，这两种材料目前都存在不化剂。不过，这两种材料目前都存
68、在不足之处。足之处。氧化物薄膜不易应用于柔软易氧化物薄膜不易应用于柔软易弯曲变形的材料弯曲变形的材料，它们在刚性的耐热衬，它们在刚性的耐热衬底（比如玻璃）上的表现更好。底（比如玻璃）上的表现更好。n氧化物的这一约束会增加成本并限制太氧化物的这一约束会增加成本并限制太阳能电池产品的种类。阳能电池产品的种类。而对于铂膜来说，而对于铂膜来说，制造它需要昂贵的设备制造它需要昂贵的设备。n如果材料中有微小的缺陷，为化学反应如果材料中有微小的缺陷，为化学反应物提供附着位置，那么就有可能起到更物提供附着位置，那么就有可能起到更好的催化效果好的催化效果像头发一样的单层碳纳米管像头发一样的单层碳纳米管对于很薄的
69、碳纳米管膜而言，增加缺陷对于很薄的碳纳米管膜而言，增加缺陷会使其催化能力提升会使其催化能力提升10倍多。倍多。n为了解决透明度和导电性的平衡问题，为了解决透明度和导电性的平衡问题，须须创造更长的碳纳米管，这样可以同创造更长的碳纳米管，这样可以同时提升薄膜的导电性和透明度。时提升薄膜的导电性和透明度。n新的方法或许同样可以利用于燃料电新的方法或许同样可以利用于燃料电池或蓄电池中。池或蓄电池中。纳米碳管储氢材料纳米碳管储氢材料n碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶” 。n研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。n据预测，不久后就可
70、以生产出氢气汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。纳米碳管储氢纳米碳管储氢高质量的碳纳米管能储存大高质量的碳纳米管能储存大量氢气，从而可以实现用氢量氢气，从而可以实现用氢气为燃料驱动无污染汽车。气为燃料驱动无污染汽车。H2纳米碳管中注入有富勒烯的原型纳米碳管中注入有富勒烯的原型碳纳米管放电与新型检测仪器碳纳米管放电与新型检测仪器碳纳米管发出的电荷碳纳米管发出的电荷n科学家们使用静电力显微镜获取了这张绦虫状科学家们使用静电力显微镜获取了这张绦虫状的图像，图中展示了直径为的图像，图中展示了直径为18纳米纳米的碳纳米管的碳纳米管发出的电荷。发出的电荷。n静电力显微镜影响了静电
71、力，从而获取了这些静电力显微镜影响了静电力，从而获取了这些图像，这是无法通过扫描隧道显微技术实现的。图像，这是无法通过扫描隧道显微技术实现的。n静电力显微镜是一种非常简易的方法，它可以静电力显微镜是一种非常简易的方法，它可以在纳米世界中观察包括纳米管在内任何物体的在纳米世界中观察包括纳米管在内任何物体的静电性。静电性。n科学家希望此项研究能带来一种新电子设备的科学家希望此项研究能带来一种新电子设备的诞生。诞生。图中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的图中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时，纳米管则变暗。电荷所产生的，放电时，纳米管则变暗。碳纳米管单分子发光元件碳纳米管单分子发光元件
72、nIBM宣布成功开发出了宣布成功开发出了由单分子碳纳米管构成由单分子碳纳米管构成的发光元件的发光元件。该发光元件的尺寸为世界最小。该发光元件的尺寸为世界最小。制造成功可电控的元件。制造成功可电控的元件。n这将推动碳纳米管在纳米级电子工程学和光元这将推动碳纳米管在纳米级电子工程学和光元件领域的应用研究。件领域的应用研究。nIBM开发的发光元件为直径开发的发光元件为直径1.4nm的纳米管状单的纳米管状单分子。研究小组已确认其分子。研究小组已确认其可发出波长可发出波长1.5m的光的光。“这一波长的光广泛应用于光通信领域，极具这一波长的光广泛应用于光通信领域，极具应用价值应用价值”（IBM）。）。“由
73、于由于直径不同的纳米直径不同的纳米管会产生波长不同管会产生波长不同的光，因此有望应用于其他的光，因此有望应用于其他领域领域”（同上）。（同上）。n研究小组研究小组将该发光元件嵌入将该发光元件嵌入3引脚晶体管内部，并引脚晶体管内部，并在晶体管栅极部分施加低电压后，在纳米管的两在晶体管栅极部分施加低电压后，在纳米管的两端（源极和漏极之间）产生了电流。端（源极和漏极之间）产生了电流。由于这是在由于这是在同时具有双极性的元件上进行的，就能够同时具有双极性的元件上进行的，就能够同时向同时向一个碳纳米管的源极中注入负电荷（电子），向一个碳纳米管的源极中注入负电荷（电子），向漏极中注入正电荷（空穴）漏极中注
74、入正电荷（空穴）。当电子和空穴在纳。当电子和空穴在纳米管中相遇时，电荷发生中和后就会发光。米管中相遇时，电荷发生中和后就会发光。n由于这一发光元件是一种晶体管，因此由于这一发光元件是一种晶体管，因此可通可通过控制栅极上的电压来实现开关切换。过控制栅极上的电压来实现开关切换。“由由于能够对单个纳米管的发光进行电控，因此于能够对单个纳米管的发光进行电控，因此可以详细分析像纳米管这样的一元材料的光可以详细分析像纳米管这样的一元材料的光物理性质物理性质”（IBM）。）。n利用发光现象进一步研究碳纳米管的电气特利用发光现象进一步研究碳纳米管的电气特性，将能够加快纳米管在电气和光学领域中性，将能够加快纳米
75、管在电气和光学领域中的应用开发。的应用开发。由于纳米管发光元件能够相互由于纳米管发光元件能够相互接合，并可以嵌入到碳纳米管和半导体电子接合，并可以嵌入到碳纳米管和半导体电子元件中，因此有可能在电子和光电子领域开元件中，因此有可能在电子和光电子领域开辟新的应用前景。辟新的应用前景。n碳纳米管具有优异碳纳米管具有优异的场发射性能。的场发射性能。直直径细小的碳纳米管径细小的碳纳米管可以用来制作极细可以用来制作极细的电子枪，的电子枪，在室温在室温及低于及低于80伏的偏置伏的偏置电压下，即可获得电压下，即可获得0.11微安的发射电微安的发射电流。流。纳米碳管场发射显示器纳米碳管场发射显示器n另外，开口碳
76、纳米管另外，开口碳纳米管比封闭碳纳米管具有比封闭碳纳米管具有更好的场发射特性。更好的场发射特性。与目前的商用电子枪与目前的商用电子枪相比，碳纳米管电子相比，碳纳米管电子枪具有尺寸小、发射枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热稳定性高、无需加热和无需高真空等优点和无需高真空等优点，有望在新一代有望在新一代冷阴极冷阴极平面显示器平面显示器中得到应中得到应用。用。纳米碳管显示器纳米碳管显示器用纳米碳管解决个人计算机内部散热用纳米碳管解决个人计算机内部散热 n通过纳米碳管可通过纳米碳管可以以解决个人计算解决个人计算机内部的散热问机内部的散热问题题。因为纳米碳。因为
77、纳米碳管导热的效果极管导热的效果极佳，而且管子很佳，而且管子很小，且能在聚合小，且能在聚合物或涂层中悬浮。物或涂层中悬浮。 新纳米碳管新纳米碳管 取代矽晶片取代矽晶片 n矽是目前最常见的电脑芯片原料，矽是目前最常见的电脑芯片原料，矽晶片将在未来几年达到最小极限尺寸。在那之后如果继。在那之后如果继续缩小矽晶片，就会影响到它的性能。续缩小矽晶片，就会影响到它的性能。n纳米管的性质使其有可能用来制造较矽晶片更小的晶片。n新纳米管碳管既能发光也能感光，这一点与过新纳米管碳管既能发光也能感光，这一点与过去的设计不同。这就意味着它有望让分子发出去的设计不同。这就意味着它有望让分子发出少量的光，因而或能适用
78、于医学或安全上的应少量的光，因而或能适用于医学或安全上的应用。用。n这种纳米管碳管或许可用来这种纳米管碳管或许可用来制造下一代安全探测器，有助侦测极微量的化学或生物毒素。 硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体 在生长单壁碳纳米管在生长单壁碳纳米管过程中，原位进行硼、氮过程中，原位进行硼、氮共掺杂，实验和理论研究共掺杂，实验和理论研究发现，发现，硼、氮共掺杂使金硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导属性碳纳米管转变为半导体体。使金属性的单壁碳纳使金属性的单壁碳纳米管的能隙被打开，使其米管的能隙被打开，使其转变为半导体性的纳米管，转变为半导体性的纳米管，
79、而而B、N共掺杂并不改变共掺杂并不改变半导体性碳纳米管的导电半导体性碳纳米管的导电属性。属性。B、N共掺杂是解共掺杂是解决半导体性和金属性纳米决半导体性和金属性纳米管不可分问题的一条有效管不可分问题的一条有效的新途径。的新途径。高性能导电复合材料高性能导电复合材料n因其导电性能良好并具因其导电性能良好并具有极大的长径比，有极大的长径比，将极将极少量少量（1.5-4%）碳纳米）碳纳米管添加到聚合物中就能管添加到聚合物中就能形成导电网络，获得高形成导电网络，获得高性能导电复合物，而其性能导电复合物，而其它导电碳材料的添加量它导电碳材料的添加量在在20%左右左右才能达到相才能达到相同的导电效果，同的导电效果，高添加高添加量将严重影响复合材料量将严重影响复合材料的机械性能及加工性能。的机械性能及加工性能。
