碳納米管專題

1、 碳納米管專題碳納米管專題 Carbon Nano-tubes 1 碳納米管的發(fā)展背景碳納米管的發(fā)展背景 2 碳納米管的結(jié)構(gòu)碳納米管的結(jié)構(gòu) 3 碳納米管的制備與后處理方法碳納米管的制備與后處理方法 4 碳納米管的基本性質(zhì)碳納米管的基本性質(zhì) 5 碳納米管的相關(guān)應(yīng)用碳納米管的相關(guān)應(yīng)用 1 碳納米管的發(fā)展背景碳納米管的發(fā)展背景 背景背景：納米材料的發(fā)展納米材料的發(fā)展 1984年德國薩爾蘭大學(xué)年德國薩爾蘭大學(xué)Gleiter以及美國的以及美國的 阿貢實驗室的阿貢實驗室的Sieyel相繼制得了純物質(zhì)的納米相繼制得了純物質(zhì)的納米 細(xì)粉。細(xì)粉。Gleiter在高純凈真空的條件下將粒徑為在高純凈真空的條件下將粒

2、徑為 6nm的的Fe粒子原位加壓成型，燒結(jié)得到納米微粒子原位加壓成型，燒結(jié)得到納米微 晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個新的階段。晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個新的階段。 1990年年7月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué) 技術(shù)技術(shù)會議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)會議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué) 的一個新分支。的一個新分支。 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)：1991年，日本學(xué)者年，日本學(xué)者Ijima和美國的和美國的Bethune 等人在摻加等人在摻加過渡金屬催化劑的石墨電極間起弧放過渡金屬催化劑的石墨電極間起弧放 電，并在制備產(chǎn)物中分別發(fā)現(xiàn)了單壁納米管。電，并在制備產(chǎn)物中分別發(fā)現(xiàn)

3、了單壁納米管。 研究結(jié)果研究結(jié)果：理論預(yù)計該材料具有優(yōu)異的力學(xué)、：理論預(yù)計該材料具有優(yōu)異的力學(xué)、 電學(xué)、磁學(xué)等性能，極具理論研究和實際應(yīng)用價電學(xué)、磁學(xué)等性能，極具理論研究和實際應(yīng)用價 值，因而激起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣，碳納米值，因而激起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣，碳納米 管的研究成為材料界以及凝聚態(tài)物理研究的前沿管的研究成為材料界以及凝聚態(tài)物理研究的前沿 和熱點(diǎn)。和熱點(diǎn)。 近年來，美國，日本，德國，中國相繼成近年來，美國，日本，德國，中國相繼成 立了納米材料研究機(jī)構(gòu)，使得碳納米管的研究進(jìn)立了納米材料研究機(jī)構(gòu)，使得碳納米管的研究進(jìn) 展隨之加快，在制備及應(yīng)用方面都取得了突破性展隨之加快，在制備及應(yīng)用

4、方面都取得了突破性 的進(jìn)展。的進(jìn)展。 2 碳納米管的結(jié)構(gòu)碳納米管的結(jié)構(gòu) 碳納米管是單層或多層石墨片圍繞中心碳納米管是單層或多層石墨片圍繞中心 軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管。軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管。 每層納米管是一個由碳原子通過每層納米管是一個由碳原子通過SP2雜化與周雜化與周 圍圍3個碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六邊形平面?zhèn)€碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六邊形平面 組成的圓柱面。其平面六角晶胞邊長為組成的圓柱面。其平面六角晶胞邊長為2.46 ， 最短的碳碳鍵長最短的碳碳鍵長1.42 。 分類分類：根據(jù)制備方法和條件的不同，碳納米：根據(jù)制備方法和條件的不同，碳納米 管存在多壁碳納

5、米管管存在多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米和單壁碳納米 管管(SWNTs)兩種形式。兩種形式。 (MWNTs)的層間接近的層間接近ABAB堆垛，其層數(shù)堆垛，其層數(shù) 從從250不等，層間距為不等，層間距為0.340.01nm，與石與石 墨層間距墨層間距(0.34nm)相當(dāng)。相當(dāng)。MWNTs的典型直徑的典型直徑 和長度分別為和長度分別為230nm和和0.150m， SWNTs 典型的直徑和長度分別為典型的直徑和長度分別為0.753nm和和150 。 碳納米管的高分辨電子顯微鏡照片，從左碳納米管的高分辨電子顯微鏡照片，從左 到右為到右為SWNT，MWNT （包含（包含2層、層、3層、層、4層石

6、墨片層）層石墨片層）From Ref. 3, 6 3 碳納米管的制備純化與表面修飾碳納米管的制備純化與表面修飾 （1）碳納米管的制備方法）碳納米管的制備方法 碳納米管的制備方法很多，到目前為止，碳納米管的制備方法很多，到目前為止， 人們嘗試了多種制備方法，如石墨電弧法、熱人們嘗試了多種制備方法，如石墨電弧法、熱 解法、激光蒸發(fā)法、等離子體法、化學(xué)氣相沉解法、激光蒸發(fā)法、等離子體法、化學(xué)氣相沉 積法（催化分解法）等等。其中，電弧放電積法（催化分解法）等等。其中，電弧放電 （arc discharge）、激光蒸發(fā)（）、激光蒸發(fā)（laser ablation） 和化學(xué)氣相沉積（和化學(xué)氣相沉積（Che

7、mical vapor deposition ,CVD）是碳納米管的主要制備方法。）是碳納米管的主要制備方法。 當(dāng)今世界公開報道當(dāng)今世界公開報道高質(zhì)、高效、連續(xù)大批高質(zhì)、高效、連續(xù)大批 量工業(yè)化生產(chǎn)碳納米管的實例量工業(yè)化生產(chǎn)碳納米管的實例：沸騰床催化法、：沸騰床催化法、 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖 (A) 椅形單壁碳納米管椅形單壁碳納米管 (B) Z字形單壁碳納米管字形單壁碳納米管 (C) 手性單壁碳納米管手性單壁碳納米管 (D) 螺旋狀碳納米管螺旋狀碳納米管 (E) 多壁碳納米管截面圖多壁碳納米管截面圖 （A）電弧放電法電弧放電法：其方法及設(shè)備與制備其

8、方法及設(shè)備與制備60的的 方法和設(shè)備都較相似。陰極采用厚約方法和設(shè)備都較相似。陰極采用厚約10mm， 直徑約為直徑約為30mm的高純高致密的石墨片，陽極的高純高致密的石墨片，陽極 采用直徑約為采用直徑約為6mm的石墨棒，整個系統(tǒng)保持的石墨棒，整個系統(tǒng)保持 在氣壓約在氣壓約104Pa的氦氣氣氛中，放電電流為的氦氣氣氛中，放電電流為50 左右，放電電壓左右，放電電壓20。通過調(diào)節(jié)陽極進(jìn)給速。通過調(diào)節(jié)陽極進(jìn)給速 度，可以保持在陽極不斷度，可以保持在陽極不斷消耗和陰極不斷生長消耗和陰極不斷生長 的同時，兩電極的放電端面距離不變，從而可的同時，兩電極的放電端面距離不變，從而可 以得到大面積離散分布的碳納

9、米管，同時還可以得到大面積離散分布的碳納米管，同時還可 能產(chǎn)生碳納米微粒。能產(chǎn)生碳納米微粒。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：產(chǎn)量很低，僅局限在實驗室中應(yīng)用，產(chǎn)量很低，僅局限在實驗室中應(yīng)用， 不適于大批量連續(xù)生產(chǎn)。不適于大批量連續(xù)生產(chǎn)。 (B)熱解法熱解法：這種方法也很簡單，將一塊基板放：這種方法也很簡單，將一塊基板放 進(jìn)加熱爐里加熱至進(jìn)加熱爐里加熱至600，然后慢慢充入甲烷，然后慢慢充入甲烷 一類的含碳?xì)怏w。一類的含碳?xì)怏w。氣體分解時產(chǎn)生自由的碳原氣體分解時產(chǎn)生自由的碳原 子，碳原子重新結(jié)合可能形成碳納米管。子，碳原子重新結(jié)合可能形成碳納米管。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：最容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也可能制備很長的最容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也

10、可能制備很長的 碳納米管。碳納米管。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：制得的碳納米管是多壁的，常常有許多制得的碳納米管是多壁的，常常有許多 缺陷。與電弧放點(diǎn)法制備的碳納米管相比，這缺陷。與電弧放點(diǎn)法制備的碳納米管相比，這 種碳納米管抗張強(qiáng)度只有前者的十分之一。種碳納米管抗張強(qiáng)度只有前者的十分之一。 （C）化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(催化熱裂解法催化熱裂解法) ) CVD法是一種發(fā)展比較成熟的制備碳納米管特別是法是一種發(fā)展比較成熟的制備碳納米管特別是 SWNTs 的技術(shù)。通過激光等將過渡金屬微粒和碳?xì)浠衔锿募夹g(shù)。通過激光等將過渡金屬微粒和碳?xì)浠衔锿?時加熱到高溫而使碳?xì)浠衔锇l(fā)生熱解而產(chǎn)生的。時加熱到高溫而

11、使碳?xì)浠衔锇l(fā)生熱解而產(chǎn)生的。 基本原理：基本原理：以含碳?xì)怏w（一般為烴類氣體或以含碳?xì)怏w（一般為烴類氣體或CO）為給料氣體）為給料氣體 （feedstock）供給碳源，在金屬催化劑（過渡金屬如）供給碳源，在金屬催化劑（過渡金屬如Fe、Co、 Mo、Ni等及其氧化物）的作用下直接在襯底表面裂解合成出等及其氧化物）的作用下直接在襯底表面裂解合成出 SWNTs。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：由于制備時溫度較低（一般控制在由于制備時溫度較低（一般控制在5001000 )，生成，生成 的的SWNTs缺陷較少，同時設(shè)備簡單、產(chǎn)率較高、條件易控，缺陷較少，同時設(shè)備簡單、產(chǎn)率較高、條件易控， CVD技術(shù)有著很好的工業(yè)化前景

12、。技術(shù)有著很好的工業(yè)化前景。 參數(shù)控制：參數(shù)控制：通過施加電場和控制給料的氣流方向，可以對通過施加電場和控制給料的氣流方向，可以對 SWNTs的生長方向進(jìn)行控制；而通過控制作為催化劑的納米的生長方向進(jìn)行控制；而通過控制作為催化劑的納米 顆粒尺寸大小，可以控制合成的顆粒尺寸大小，可以控制合成的SWNTS的直徑范圍。的直徑范圍。 機(jī)理機(jī)理:與電弧放電法類似，主要是將一根金屬催化劑與電弧放電法類似，主要是將一根金屬催化劑/ 石墨混合的石墨靶放置于一長形石英管中間，該管石墨混合的石墨靶放置于一長形石英管中間，該管 則置于一加熱爐內(nèi)。當(dāng)爐溫升至則置于一加熱爐內(nèi)。當(dāng)爐溫升至1200時，將惰性時，將惰性 氣

13、體充入管內(nèi)，并將一束激光聚焦于石墨靶上。石氣體充入管內(nèi)，并將一束激光聚焦于石墨靶上。石 墨靶在激光照射下將生成氣態(tài)碳，這些氣態(tài)碳和催墨靶在激光照射下將生成氣態(tài)碳，這些氣態(tài)碳和催 化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)，在催化劑的化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)，在催化劑的 作用下生長成碳納米管。作用下生長成碳納米管。 研究者：研究者：Rice大學(xué)的大學(xué)的Richard Smally和他的合作者和他的合作者 產(chǎn)率：產(chǎn)率：在催化劑合適的條件下，可大量制備單層碳納在催化劑合適的條件下，可大量制備單層碳納 米管，一般產(chǎn)率可達(dá)米管，一般產(chǎn)率可達(dá)70%。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：主產(chǎn)物為單層碳納米管，通過改變反應(yīng)溫度可主產(chǎn)

14、物為單層碳納米管，通過改變反應(yīng)溫度可 控制管的直徑?？刂乒艿闹睆健?缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要非常昂貴的激光器，所以此法耗費(fèi)最的大。需要非常昂貴的激光器，所以此法耗費(fèi)最的大。 (D)激光法激光法 （E）長碳納米管束制造新方法長碳納米管束制造新方法 中國清華大學(xué)和美國倫塞勒理工學(xué)院的研究人中國清華大學(xué)和美國倫塞勒理工學(xué)院的研究人 員，員，制造出的碳納米管束最長達(dá)到了制造出的碳納米管束最長達(dá)到了20厘米厘米，狀如，狀如 人的發(fā)絲。這一成果是向制造可用于電子設(shè)備的微人的發(fā)絲。這一成果是向制造可用于電子設(shè)備的微 型導(dǎo)線等邁出的重要一步。型導(dǎo)線等邁出的重要一步。 中美科學(xué)家在研究中中美科學(xué)家在研究中對合成對合成碳

15、納米管常用的化碳納米管常用的化 學(xué)氣相淀積方法進(jìn)行了改進(jìn)學(xué)氣相淀積方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)結(jié)果顯示，在化。改進(jìn)結(jié)果顯示，在化 學(xué)氣相淀積過程中加入氫和另外一種含硫化合物后，學(xué)氣相淀積過程中加入氫和另外一種含硫化合物后， 不僅能制造出更長的碳納米管束，而且這些碳納米不僅能制造出更長的碳納米管束，而且這些碳納米 管束可由單層碳納米管通過自我組裝而有規(guī)律地排管束可由單層碳納米管通過自我組裝而有規(guī)律地排 列組成列組成。 研究人員認(rèn)為，他們的新方法作為一種更為簡便研究人員認(rèn)為，他們的新方法作為一種更為簡便 的替代工藝，也許還可以的替代工藝，也許還可以用來生產(chǎn)高純度的單層碳用來生產(chǎn)高純度的單層碳 納米管材料納

16、米管材料。 （2）碳納米管的純化碳納米管的純化 常用的提純方法常用的提純方法：氧化法、過濾法、氣相沉積：氧化法、過濾法、氣相沉積 法、離心分離法。法、離心分離法。 氧化法的基本思想氧化法的基本思想：碳納米管兩端活性較強(qiáng)，：碳納米管兩端活性較強(qiáng)， 所以氧化先從端口開始，由于端口長度與納所以氧化先從端口開始，由于端口長度與納 米雜質(zhì)粒子及無定形碳的長度相差幾個數(shù)量米雜質(zhì)粒子及無定形碳的長度相差幾個數(shù)量 級，因此，在相同的速度下氧化，雜質(zhì)粒子級，因此，在相同的速度下氧化，雜質(zhì)粒子 和無定形碳先被氧化掉，最后只剩較為純凈、和無定形碳先被氧化掉，最后只剩較為純凈、 甚至被打開端口的碳管。甚至被打開端口的

17、碳管。 （A）氧氣（或空氣）氧化法）氧氣（或空氣）氧化法 該方法有該方法有Ajayan和和Ebbesen等提出等提出11。 他們將電弧放電法制備的碳納米混合物在空氣他們將電弧放電法制備的碳納米混合物在空氣 中加熱到中加熱到700以上時，重量發(fā)生損失。在以上時，重量發(fā)生損失。在 850溫度下加熱溫度下加熱15min后，樣品全部消失，后，樣品全部消失， 他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣品損失率達(dá)到他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣品損失率達(dá)到99%以上時，殘以上時，殘 留的樣品基本上全部是碳納米管。留的樣品基本上全部是碳納米管。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：該反應(yīng)的選擇性較差，碳納米顆粒被氧該反應(yīng)的選擇性較差，碳納米顆粒被氧 化侵蝕的過程要持續(xù)一個較長時

18、間，而且納米化侵蝕的過程要持續(xù)一個較長時間，而且納米 顆粒與納米管交織在一起，當(dāng)碳納米顆?；绢w粒與納米管交織在一起，當(dāng)碳納米顆粒基本 上全部去除時，多層碳納米管的管壁也被氧化上全部去除時，多層碳納米管的管壁也被氧化 侵蝕掉，最后剩下單層的碳納米管。侵蝕掉，最后剩下單層的碳納米管。 （B）CO2 氧化法氧化法 該法由英國學(xué)者該法由英國學(xué)者Tsang 等等13將電弧放將電弧放 電法所得的陰極沉積物放入一個兩端有塞子的電法所得的陰極沉積物放入一個兩端有塞子的 石英管中，在石英管中，在850下通入下通入CO2 (20mL/ min) ，持續(xù)，持續(xù)5h 后，約有后，約有10(wt)%損失，此損失，此

19、時碳納米管的封口被打開。繼續(xù)加熱，碳納米時碳納米管的封口被打開。繼續(xù)加熱，碳納米 顆粒、碳納米球、無定形炭將被氧化燒蝕，被顆粒、碳納米球、無定形炭將被氧化燒蝕，被 氧化除去。而且當(dāng)氧化時間足夠時，氧化除去。而且當(dāng)氧化時間足夠時，MWNTs 的管壁會受到侵蝕，從而變成的管壁會受到侵蝕，從而變成SWNTs。 （C）濃硝酸氧化法）濃硝酸氧化法 n將碳納米管加入到濃硝酸中攪拌，超聲波分散將碳納米管加入到濃硝酸中攪拌，超聲波分散 后加熱回流處理。自然冷卻后用蒸餾水稀釋、后加熱回流處理。自然冷卻后用蒸餾水稀釋、 洗滌至中性，經(jīng)真空干燥、研磨后既得到純化洗滌至中性，經(jīng)真空干燥、研磨后既得到純化 處理的碳納米

20、管處理的碳納米管14。 n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)過適當(dāng)濃度硝酸氧化處理一定時間的經(jīng)過適當(dāng)濃度硝酸氧化處理一定時間的 CNTs，其基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)變化，而表面，其基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)變化，而表面 活性基團(tuán)顯著增加，在乙醇中分散濃度、均勻活性基團(tuán)顯著增加，在乙醇中分散濃度、均勻 性、穩(wěn)定性得到提高，在復(fù)合材料中的分散均性、穩(wěn)定性得到提高，在復(fù)合材料中的分散均 勻性及與樹脂的結(jié)合性能也得到相應(yīng)提高。硝勻性及與樹脂的結(jié)合性能也得到相應(yīng)提高。硝 酸氧化處理是酸氧化處理是CNTs表面活化的有效方法。表面活化的有效方法。 （D）混酸氧化法）混酸氧化法 楊占紅等楊占紅等 15 以堿為分散劑對電弧法所以堿為分散劑對電弧

21、法所 得產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)處理，以混酸為氧化劑對得產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)處理，以混酸為氧化劑對CNTs 進(jìn)行純化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃硫酸和硝酸的混合物可進(jìn)行純化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃硫酸和硝酸的混合物可 以較快地將碳納米管純化。以較快地將碳納米管純化。 （E）重鉻酸鉀氧化法）重鉻酸鉀氧化法 楊占紅等楊占紅等16研究了酸性重鉻酸鉀溶液研究了酸性重鉻酸鉀溶液 對電弧放電法所制備對電弧放電法所制備CNTs的純化，他們考察的純化，他們考察 了硫酸用量、反應(yīng)溫度、時間等對碳納米管純了硫酸用量、反應(yīng)溫度、時間等對碳納米管純 度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫酸濃度為度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫酸濃度為50 (vol)%， 硫酸用量過量硫酸用量過量50%，反應(yīng)溫度，反應(yīng)

22、溫度140，反應(yīng)，反應(yīng) 時間時間2h，為最佳實驗條件。，為最佳實驗條件。 （3）碳納米管的表面修飾）碳納米管的表面修飾 定義定義：碳納米管的修飾是指通過溴水、重鉻酸鉀、混：碳納米管的修飾是指通過溴水、重鉻酸鉀、混 酸等氧化劑氧化碳納米管的端口和側(cè)壁，在其上引酸等氧化劑氧化碳納米管的端口和側(cè)壁，在其上引 進(jìn)一些基團(tuán)，從而克服碳納米管間的短程作用力。進(jìn)一些基團(tuán)，從而克服碳納米管間的短程作用力。 分類：分類： 按修飾部位按修飾部位：端頭修飾、側(cè)壁修飾；：端頭修飾、側(cè)壁修飾； 端頭修飾是化學(xué)修飾中最常見的一種。碳納米管可端頭修飾是化學(xué)修飾中最常見的一種。碳納米管可 以被視為線性富勒烯分子，其端頭是由碳

23、的五元環(huán)以被視為線性富勒烯分子，其端頭是由碳的五元環(huán) 和六元環(huán)組成的半球形，具有球形富勒烯的凸起結(jié)和六元環(huán)組成的半球形，具有球形富勒烯的凸起結(jié) 構(gòu)，強(qiáng)氧化劑可將端頭打開而氧化成羧基，從而與構(gòu)，強(qiáng)氧化劑可將端頭打開而氧化成羧基，從而與 其它的化學(xué)試劑反應(yīng)，引入增溶基。同時，碳納米其它的化學(xué)試劑反應(yīng)，引入增溶基。同時，碳納米 管側(cè)壁碳原子的管側(cè)壁碳原子的SP2雜化形成大量的高度離域化雜化形成大量的高度離域化電電 子，這些子，這些電子可以被用來與其他化合物通過電子可以被用來與其他化合物通過-非非 共價鍵作用相結(jié)合，得到修飾的碳納米管。共價鍵作用相結(jié)合，得到修飾的碳納米管。 按修飾方法按修飾方法：重氮

24、鹽電化學(xué)修飾、化學(xué)摻雜等。：重氮鹽電化學(xué)修飾、化學(xué)摻雜等。 按修飾的性質(zhì)按修飾的性質(zhì)：共價功能化、非共價功能化：共價功能化、非共價功能化 (A)共價功能化共價功能化 定義定義：通過共價鍵聯(lián)接來修飾碳納米管的方法：通過共價鍵聯(lián)接來修飾碳納米管的方法 分類：分類： 碳納米管的酰胺化碳納米管的酰胺化 、碳納米管的酯化、氟化、碳納米管的酯化、氟化、 芳基重氮化芳基重氮化 、HTAB修飾碳納米管修飾碳納米管 、檸檬酸、檸檬酸 、 碳納米管化學(xué)鍍鎳及熱處理碳納米管化學(xué)鍍鎳及熱處理 (B)非共價功能化非共價功能化 定義定義：通過對：通過對CNTs進(jìn)行物理吸附和包裹來修飾進(jìn)行物理吸附和包裹來修飾 碳納米管的方

25、法碳納米管的方法 分類分類： 離子液體修飾碳納米管離子液體修飾碳納米管 、表面活性劑、表面活性劑 （十二（十二 烷基磺酸鈉烷基磺酸鈉(SDS)和十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS) ）、聚間亞苯基亞乙烯（）、聚間亞苯基亞乙烯（PmPV） 等等 （1）力學(xué)性能）力學(xué)性能：sp2雜化形成的雜化形成的C=C共價鍵是自然界共價鍵是自然界 最強(qiáng)的價鍵之一，賦予碳納米管極強(qiáng)的強(qiáng)度、韌性最強(qiáng)的價鍵之一，賦予碳納米管極強(qiáng)的強(qiáng)度、韌性 及彈性模量，使碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能。由及彈性模量，使碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能。由 于碳納米管的納米尺度和易纏繞的特點(diǎn)，直接用傳于碳納米管的納米尺度和易纏繞的特

26、點(diǎn)，直接用傳 統(tǒng)實驗方法測量其力學(xué)性能比較困難，因此最初對統(tǒng)實驗方法測量其力學(xué)性能比較困難，因此最初對 碳納米管力學(xué)性能的研究集中在碳納米管力學(xué)性能的研究集中在理論預(yù)測理論預(yù)測上。上。 初步估算，碳納米管的強(qiáng)度大概是鋼的初步估算，碳納米管的強(qiáng)度大概是鋼的100倍。倍。 Lieber運(yùn)用運(yùn)用STM技術(shù)測試了碳納米管的彎曲強(qiáng)度，技術(shù)測試了碳納米管的彎曲強(qiáng)度， 證明碳納米管具有理想的彈性和很高的硬度。因此證明碳納米管具有理想的彈性和很高的硬度。因此 用碳納米管作為金屬表面上的復(fù)合鍍層，可以獲得用碳納米管作為金屬表面上的復(fù)合鍍層，可以獲得 超強(qiáng)的超強(qiáng)的耐磨性耐磨性和和自潤滑性自潤滑性，其耐磨性要比軸承

27、鋼高，其耐磨性要比軸承鋼高 100倍，摩擦系數(shù)為倍，摩擦系數(shù)為0.060.1，且還發(fā)現(xiàn)該復(fù)合鍍層，且還發(fā)現(xiàn)該復(fù)合鍍層 還具有還具有高的熱穩(wěn)定性高的熱穩(wěn)定性和和耐腐蝕性耐腐蝕性等性能。等性能。 4 碳納米管的基本性質(zhì)碳納米管的基本性質(zhì) 耐磨性耐磨性：利用碳納米管的高耐磨性，可以用：利用碳納米管的高耐磨性，可以用 其制造刀具和模具等。這不僅能夠提高產(chǎn)品的其制造刀具和模具等。這不僅能夠提高產(chǎn)品的 耐磨性，還能提高產(chǎn)品的期限，若能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)耐磨性，還能提高產(chǎn)品的期限，若能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè) 化，其效益將是非常巨大的。化，其效益將是非常巨大的。 自潤滑性自潤滑性：利用碳納米管的自潤滑性，可以：利用碳納米管的自潤滑性

28、，可以 用來制造潤滑材料，關(guān)于這一點(diǎn)，已取得了一用來制造潤滑材料，關(guān)于這一點(diǎn)，已取得了一 些成果些成果 作為針尖作為針尖：1996年年Smalley用一個碳納米管修用一個碳納米管修 飾的針尖觀察到了原子縫底的情況，飾的針尖觀察到了原子縫底的情況， Lieber用用 這個方法研究生物分子，解決了許多這個方法研究生物分子，解決了許多STM針針 尖無法解決的問題，其分辨率也高。尖無法解決的問題，其分辨率也高。 理論估計其理論估計其楊氏模量楊氏模量高達(dá)高達(dá)5TPa，實驗測，實驗測 得平均為得平均為1.8TPa，比一般的碳纖維高一個數(shù)量，比一般的碳纖維高一個數(shù)量 級，與金剛石的模量幾乎相同，為已知材料的

29、級，與金剛石的模量幾乎相同，為已知材料的 最高模量；最高模量；彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度14.2GPa，所存應(yīng)變能達(dá)，所存應(yīng)變能達(dá) 100KeV，是最好微米級晶須的兩倍；其，是最好微米級晶須的兩倍；其彈性彈性 應(yīng)變應(yīng)變可達(dá)可達(dá)518，約為鋼的，約為鋼的60倍；其強(qiáng)度約倍；其強(qiáng)度約 為鋼的為鋼的100倍，而倍，而密度密度約為約為1.22.1g/cm3，僅，僅 為鋼的為鋼的1/61/7。碳納米管還有。碳納米管還有超高的韌性超高的韌性， 理論估算它的最大延伸率可達(dá)理論估算它的最大延伸率可達(dá)20%。 （2）電學(xué)性能）電學(xué)性能：碳納米管與石墨一樣，碳原子：碳納米管與石墨一樣，碳原子 之間是之間是sp2雜化，每個碳

30、原子有一個未成對電雜化，每個碳原子有一個未成對電 子位于垂直于層片的子位于垂直于層片的軌道上，因此碳納米管軌道上，因此碳納米管 具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。但隨網(wǎng)格構(gòu)型（螺旋角）具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。但隨網(wǎng)格構(gòu)型（螺旋角） 和直徑的不同，其導(dǎo)電性可呈現(xiàn)和直徑的不同，其導(dǎo)電性可呈現(xiàn)金屬、半金屬金屬、半金屬 或或半導(dǎo)體半導(dǎo)體性，因而碳納米管的傳導(dǎo)性可通過改性，因而碳納米管的傳導(dǎo)性可通過改 變管中變管中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和和直徑直徑來變化。來變化。 直徑與螺旋結(jié)構(gòu)主要由手性矢量所決定，直徑與螺旋結(jié)構(gòu)主要由手性矢量所決定， 當(dāng)手性矢量符合一定數(shù)時，單壁碳納米管為當(dāng)手性矢量符合一定數(shù)時，單壁碳納米管為金金 屬導(dǎo)電性

31、屬導(dǎo)電性，否則為，否則為半導(dǎo)體導(dǎo)電性半導(dǎo)體導(dǎo)電性。當(dāng)然，由于。當(dāng)然，由于 某些特別的缺陷也可能導(dǎo)致同一碳納米管既具某些特別的缺陷也可能導(dǎo)致同一碳納米管既具 有金屬的導(dǎo)電性又具有半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。有金屬的導(dǎo)電性又具有半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。 （3）優(yōu)異的磁性優(yōu)異的磁性：應(yīng)用領(lǐng)域有功率變壓器、：應(yīng)用領(lǐng)域有功率變壓器、 脈沖變壓器、高頻變壓器、扼流圈、互感器磁脈沖變壓器、高頻變壓器、扼流圈、互感器磁 頭、磁開關(guān)和傳感器等。它將成為鐵氧體的有頭、磁開關(guān)和傳感器等。它將成為鐵氧體的有 力的競爭者。新近發(fā)現(xiàn)的碳納米管軟磁材料的力的競爭者。新近發(fā)現(xiàn)的碳納米管軟磁材料的 高頻場中具有巨磁阻抗效應(yīng)。高頻場中具有巨磁阻抗效

32、應(yīng)。 （4）良好的儲氫性能良好的儲氫性能：碳納米管具有比活性：碳納米管具有比活性 炭更大的比表面積，且具有大量的微孔，因此炭更大的比表面積，且具有大量的微孔，因此 被認(rèn)為是最好的儲氫材料。被認(rèn)為是最好的儲氫材料。 （5）良好的吸波性能良好的吸波性能：由于碳管的獨(dú)特分子：由于碳管的獨(dú)特分子 結(jié)構(gòu)，特別是螺旋狀納米碳管，將其做成的吸結(jié)構(gòu)，特別是螺旋狀納米碳管，將其做成的吸 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。人們可利用其這一特性著手研究在光吸收率。人們可利用其這一特性著手研究在 軍事隱形、蓄能、吸波等方面的應(yīng)用。軍事隱形、蓄能、吸波等方面的應(yīng)用。

33、 例例：沈曾民等研究表明：用化學(xué)鍍方法在碳納米管：沈曾民等研究表明：用化學(xué)鍍方法在碳納米管 的表面鍍上一層均勻的過渡金屬鎳。碳納米管吸波的表面鍍上一層均勻的過渡金屬鎳。碳納米管吸波 涂層在厚度為涂層在厚度為0.97mm時，在時，在8GHz18GHz，- 10dB的頻寬為的頻寬為3.0，-5dB的頻寬為的頻寬為4.7 GHz。鍍鎳鍍鎳 碳納米管吸波涂層在厚度為碳納米管吸波涂層在厚度為0.97nm時，時，-10dB的的 頻寬為頻寬為2.23 GHz，-5dB的頻寬為的頻寬為4.6 GHz。碳納碳納 米管表面鍍鎳后雖然吸收峰值變小，但吸收峰有寬米管表面鍍鎳后雖然吸收峰值變小，但吸收峰有寬 化的趨勢化

34、的趨勢，這種趨勢對提高材料的吸波性能是有利，這種趨勢對提高材料的吸波性能是有利 的。的。 含碳納米管偶極子吸波涂層的主要吸波機(jī)理含碳納米管偶極子吸波涂層的主要吸波機(jī)理：在含：在含 碳納米管的吸波涂層中，碳納米管作為偶極子在電碳納米管的吸波涂層中，碳納米管作為偶極子在電 磁場的作用下，會產(chǎn)生耗散電流，在周圍基體作用磁場的作用下，會產(chǎn)生耗散電流，在周圍基體作用 下，耗散電流被衰減，從而電磁波能量轉(zhuǎn)換為其它下，耗散電流被衰減，從而電磁波能量轉(zhuǎn)換為其它 形式的能量，主要為熱能。形式的能量，主要為熱能。 （6）光學(xué)性能）光學(xué)性能 碳納米管具有卓越的發(fā)光性質(zhì)，特別是碳納米管具有卓越的發(fā)光性質(zhì)，特別是 穩(wěn)定

35、的發(fā)射光譜，很高的發(fā)光強(qiáng)度以及優(yōu)秀的波長轉(zhuǎn)穩(wěn)定的發(fā)射光譜，很高的發(fā)光強(qiáng)度以及優(yōu)秀的波長轉(zhuǎn) 換功能換功能，電致發(fā)光方面低壓、節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)使得，電致發(fā)光方面低壓、節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)使得 它具有廣闊的應(yīng)用前景。它具有廣闊的應(yīng)用前景。 2004年，年，Wei等發(fā)表了關(guān)于碳納米管可以作為燈絲的初等發(fā)表了關(guān)于碳納米管可以作為燈絲的初 步研究成果，提出了碳納米管電燈泡的概念。該項成步研究成果，提出了碳納米管電燈泡的概念。該項成 果得到世界著名刊物果得到世界著名刊物Science和和Nature的高度評價。的高度評價。 Dickey等用化學(xué)氣相沉積等用化學(xué)氣相沉積(CVD)法將釕摻入碳納米法將釕摻入碳納米

36、管中制備了管中制備了Ru摻雜的碳納米管陣列，該碳納米管在可摻雜的碳納米管陣列，該碳納米管在可 見光區(qū)有熒光發(fā)射呈現(xiàn)綠色。見光區(qū)有熒光發(fā)射呈現(xiàn)綠色。 Sun等通過等通過把銪摻入碳納米管中，使其熒光峰略把銪摻入碳納米管中，使其熒光峰略 向長波方向移動，為碳納米管在光電子器件方面的應(yīng)向長波方向移動，為碳納米管在光電子器件方面的應(yīng) 用提供了可能。用提供了可能。 碳納米管還具有良好的光限幅性質(zhì)，可以作為一種碳納米管還具有良好的光限幅性質(zhì)，可以作為一種 新型的激光防護(hù)材料。新型的激光防護(hù)材料。 （7）熱學(xué)性能）熱學(xué)性能 研究人員最近發(fā)現(xiàn)碳納米管是目研究人員最近發(fā)現(xiàn)碳納米管是目 前世界上最好的導(dǎo)熱材料。碳納

37、米管依靠前世界上最好的導(dǎo)熱材料。碳納米管依靠超聲超聲 波波傳遞熱能，其傳遞速度可達(dá)傳遞熱能，其傳遞速度可達(dá)每秒每秒 1 萬米萬米。同。同 時發(fā)現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)的還有，即使將碳納米管捆在一起，熱的還有，即使將碳納米管捆在一起，熱 量也不會從一個碳納米管傳到另一個碳納米管，量也不會從一個碳納米管傳到另一個碳納米管， 這說明碳納米管這說明碳納米管只能沿一維方向傳遞熱能只能沿一維方向傳遞熱能。 碳納米管的這種優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，將使它碳納米管的這種優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，將使它 有望成為今后超高速運(yùn)算的有望成為今后超高速運(yùn)算的計算機(jī)芯片導(dǎo)熱板計算機(jī)芯片導(dǎo)熱板， 也可以用于發(fā)動機(jī)和火箭等各種高溫部件的也可以用于發(fā)動機(jī)和火箭

38、等各種高溫部件的防防 護(hù)材料護(hù)材料。 原因原因：碳納米管的熱學(xué)性能不僅與組成它的：碳納米管的熱學(xué)性能不僅與組成它的石石 墨片本質(zhì)墨片本質(zhì)有關(guān)，而且與其有關(guān)，而且與其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和尺寸獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和尺寸有有 關(guān)。石墨的內(nèi)平面熱傳導(dǎo)率僅次于一定形式的關(guān)。石墨的內(nèi)平面熱傳導(dǎo)率僅次于一定形式的 摻雜金剛石。碳納米管反映了石墨的內(nèi)平面特?fù)诫s金剛石。碳納米管反映了石墨的內(nèi)平面特 性，故而它的熱傳導(dǎo)率非常高。性，故而它的熱傳導(dǎo)率非常高。 單獨(dú)一根多壁碳納米管單獨(dú)一根多壁碳納米管的室溫?zé)釋?dǎo)率預(yù)計的室溫?zé)釋?dǎo)率預(yù)計 達(dá)達(dá)3000W/mK，單獨(dú)一根單壁碳納米管室溫，單獨(dú)一根單壁碳納米管室溫 熱導(dǎo)率達(dá)熱導(dǎo)率達(dá)6000W/

39、mK，而單壁碳納米管束的，而單壁碳納米管束的 室溫?zé)釋?dǎo)率大于室溫?zé)釋?dǎo)率大于200W/mK63 。 （8）化學(xué)性能）化學(xué)性能 在催化研究方面，碳納米管已被用于在催化研究方面，碳納米管已被用于 分散和穩(wěn)定納米級的金屬小顆粒。由碳納米管制得分散和穩(wěn)定納米級的金屬小顆粒。由碳納米管制得 的催化劑可以改善多相催化的選擇性。的催化劑可以改善多相催化的選擇性。Louv曾報道曾報道 了直接用碳納米管做催化劑分解了直接用碳納米管做催化劑分解 NO，在，在 873K有有 100 %的轉(zhuǎn)換率。的轉(zhuǎn)換率。 用作合成用作合成模板模板：碳納米管的直徑處于納米級，長度：碳納米管的直徑處于納米級，長度 則可達(dá)數(shù)微米至數(shù)毫米，

40、因而具有很大的長徑比，則可達(dá)數(shù)微米至數(shù)毫米，因而具有很大的長徑比， 是準(zhǔn)一維的量子線。利用這種一維中空的結(jié)構(gòu)作模是準(zhǔn)一維的量子線。利用這種一維中空的結(jié)構(gòu)作模 板，對其進(jìn)行填充、包裹和空間限制反應(yīng)可合成其板，對其進(jìn)行填充、包裹和空間限制反應(yīng)可合成其 他一維納米結(jié)構(gòu)的材料。有人利用碳納米管的管狀他一維納米結(jié)構(gòu)的材料。有人利用碳納米管的管狀 腔進(jìn)行管道有機(jī)合成，預(yù)言在有機(jī)合成、腔進(jìn)行管道有機(jī)合成，預(yù)言在有機(jī)合成、 生物化學(xué)生物化學(xué) 以及制藥化學(xué)領(lǐng)域有重要意義。以及制藥化學(xué)領(lǐng)域有重要意義。 5 碳納米管的相關(guān)應(yīng)用碳納米管的相關(guān)應(yīng)用 美國和巴西科學(xué)家的一項最新美國和巴西科學(xué)家的一項最新 研究，發(fā)現(xiàn)了碳納

41、米管薄層在受到研究，發(fā)現(xiàn)了碳納米管薄層在受到 拉伸或壓縮時，可以表現(xiàn)出一種超拉伸或壓縮時，可以表現(xiàn)出一種超 乎想象的力學(xué)性質(zhì)。這一成果有望乎想象的力學(xué)性質(zhì)。這一成果有望 為碳納米管帶來巨大的應(yīng)用前景，為碳納米管帶來巨大的應(yīng)用前景， 比如制造比如制造人工肌肉、傳感器人工肌肉、傳感器等。等。 大多數(shù)材料在朝一個方向拉伸大多數(shù)材料在朝一個方向拉伸 時，另一個方向就會變細(xì)變窄。這時，另一個方向就會變細(xì)變窄。這 種現(xiàn)象可以用泊松比種現(xiàn)象可以用泊松比(側(cè)向收縮比例側(cè)向收縮比例 與實際伸長比例的比值與實際伸長比例的比值)來定量描述。來定量描述。 然而，最新研究發(fā)現(xiàn)，一種特殊的然而，最新研究發(fā)現(xiàn)，一種特殊的

42、碳納米管薄層碳納米管薄層(也稱也稱巴克紙巴克紙)卻能夠卻能夠 在拉伸和均勻壓縮時，長度和寬度在拉伸和均勻壓縮時，長度和寬度 同時增加。也就是說這種材料具有同時增加。也就是說這種材料具有 負(fù)的泊松比。負(fù)的泊松比。 巴克紙中的多巴克紙中的多 壁碳納米管在壁碳納米管在 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 下的圖像下的圖像 碳納米管薄層碳納米管薄層具有獨(dú)特力學(xué)性質(zhì)具有獨(dú)特力學(xué)性質(zhì) n研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著多壁碳管在薄層中的增加，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著多壁碳管在薄層中的增加， 薄層的泊松比會薄層的泊松比會從從0.06突然躍變?yōu)橥蝗卉S變?yōu)?0.20。 n新的研究成果具有重要的應(yīng)用價值，比如設(shè)計新的研究成果具有重要的應(yīng)用價值

43、，比如設(shè)計 源自碳納米薄層的復(fù)合物，制造人工肌肉、墊源自碳納米薄層的復(fù)合物，制造人工肌肉、墊 圈、壓力傳感器和化學(xué)傳感器等。尤其是當(dāng)調(diào)圈、壓力傳感器和化學(xué)傳感器等。尤其是當(dāng)調(diào) 整單壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好為整單壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好為0時，時， 這種材料對于設(shè)計彎曲時寬度依然不變的感應(yīng)這種材料對于設(shè)計彎曲時寬度依然不變的感應(yīng) 懸臂十分有效。懸臂十分有效。 比人體肌肉強(qiáng)比人體肌肉強(qiáng)30倍碳納米管人造肌肉倍碳納米管人造肌肉 這種人造肌肉纖維由這種人造肌肉纖維由“成捆成捆”的碳納米管組成，在電的碳納米管組成，在電 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縮。而在上快速伸

44、縮。而在垂直方向垂直方向上，上， 它卻極為堅韌。它在單位面積上能夠產(chǎn)生的拉力是人體肌它卻極為堅韌。它在單位面積上能夠產(chǎn)生的拉力是人體肌 肉的肉的30倍，伸縮速度也要快得多。人體肌肉纖維每秒鐘可倍，伸縮速度也要快得多。人體肌肉纖維每秒鐘可 收縮收縮10%，而這種人造肌肉則可收縮，而這種人造肌肉則可收縮40000%。當(dāng)被大幅。當(dāng)被大幅 度拉伸之后，它甚至輕的可以度拉伸之后，它甚至輕的可以在空氣中漂浮起來。在空氣中漂浮起來。 碳納米管碳納米管“蜘蛛衣蜘蛛衣” 一教授計劃用一種名為碳一教授計劃用一種名為碳 納米管的超細(xì)纖維來制造納米管的超細(xì)纖維來制造 “蜘蛛衣蜘蛛衣”，這種材料內(nèi)，這種材料內(nèi) 部中空。

45、由于非常微小，部中空。由于非常微小， 它具有像壁虎剛毛一樣的它具有像壁虎剛毛一樣的 吸附效果。壁虎、蜘蛛的吸附效果。壁虎、蜘蛛的 腳上長滿了細(xì)小的剛毛，腳上長滿了細(xì)小的剛毛， 能敏銳地尋找到各種固體能敏銳地尋找到各種固體 表面的細(xì)微凹凸并吸附在表面的細(xì)微凹凸并吸附在 上面。上面。 壁虎抵抗重力的能 力來自于足底的剛 毛結(jié)構(gòu) 蜘蛛衣蜘蛛衣”的吸附力取決于與固體表面的吸附力取決于與固體表面 接觸處的碳納米管數(shù)量。這種材料的接觸處的碳納米管數(shù)量。這種材料的 外部直徑只有幾到幾十納米，相當(dāng)于外部直徑只有幾到幾十納米，相當(dāng)于 頭頭發(fā)絲的發(fā)絲的1/10萬，因此一片手掌大小的萬，因此一片手掌大小的 纖維中可

46、容納數(shù)十億的碳納米管，由纖維中可容納數(shù)十億的碳納米管，由 此產(chǎn)生的單位面積吸附力是壁虎腳的此產(chǎn)生的單位面積吸附力是壁虎腳的 200倍。倍。把一雙用這種材料制成、手掌把一雙用這種材料制成、手掌 面積為面積為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 屋頂上，可以同時吊起屋頂上，可以同時吊起14個重量為個重量為83 公斤的壯漢。公斤的壯漢。當(dāng)然，要移動也很簡單，當(dāng)然，要移動也很簡單， 只要沿著表面稍微上下左右挪動一下，只要沿著表面稍微上下左右挪動一下， 粘結(jié)處就會一點(diǎn)點(diǎn)斷開。粘結(jié)處就會一點(diǎn)點(diǎn)斷開。 這種高科技材料在科學(xué)方面有非這種高科技材料在科學(xué)方面有非 常有趣的應(yīng)用，像常有趣的應(yīng)用，

47、像在太空中，艙外作在太空中，艙外作 業(yè)的宇航員就可以穿上這種具有吸盤業(yè)的宇航員就可以穿上這種具有吸盤 粘附功能的衣服。粘附功能的衣服。 據(jù)估計，世界第一據(jù)估計，世界第一 套套“蜘蛛衣蜘蛛衣”有望在有望在2017年前問世。年前問世。 高高性能超長碳納米管材料性能超長碳納米管材料 強(qiáng)度超過鋼強(qiáng)度超過鋼 n美國一家公司研制出了一種美國一家公司研制出了一種用碳納米管制成的輕用碳納米管制成的輕 薄材料，其強(qiáng)度超過鋼，傳導(dǎo)性能接近鋁。使用薄材料，其強(qiáng)度超過鋼，傳導(dǎo)性能接近鋁。使用 這種材料能夠制作這種材料能夠制作輕便防彈衣輕便防彈衣和和高導(dǎo)線纜高導(dǎo)線纜。 n這種納米管比平常的納米管長得多，長度要以毫這種納

48、米管比平常的納米管長得多，長度要以毫 米計，而不是以微米計。此外，納米管加長后可米計，而不是以微米計。此外，納米管加長后可 以更有效地黏合。以更有效地黏合。 n這一制作過程使用了化學(xué)氣相沉積技術(shù)。這一制作過程使用了化學(xué)氣相沉積技術(shù)。在化學(xué)在化學(xué) 氣相沉積過程中，碳從一種氣體中被壓縮出來。氣相沉積過程中，碳從一種氣體中被壓縮出來。 由此做成的納米管就像一種拆開的墊子，必須經(jīng)由此做成的納米管就像一種拆開的墊子，必須經(jīng) 過化學(xué)處理，使納米管定向排列，從而導(dǎo)致這種過化學(xué)處理，使納米管定向排列，從而導(dǎo)致這種 材料在排列方向上的強(qiáng)度特別大。材料在排列方向上的強(qiáng)度特別大。 n因納米碳管既輕又強(qiáng)度極高，是鋼的

49、因納米碳管既輕又強(qiáng)度極高，是鋼的10- 100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成 的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵 御強(qiáng)大的子彈的沖擊力。御強(qiáng)大的子彈的沖擊力。 碳納米管被單碳納米管被單 英國新漢普郡的一個技術(shù)公司設(shè)法制造出了英國新漢普郡的一個技術(shù)公司設(shè)法制造出了世界最大世界最大 的碳納米管被單的碳納米管被單，重新點(diǎn)燃人們思索很久的太空電梯，重新點(diǎn)燃人們思索很久的太空電梯 的夢想，的夢想，或許有一天我們會沿著超輕超強(qiáng)的碳納米管或許有一天我們會沿著超輕超強(qiáng)的碳納米管 電纜，搭乘太空電梯上太空觀光旅行。電纜，搭乘太空電梯上太空觀光旅

50、行。 n此碳納米管被單面積僅此碳納米管被單面積僅18平方英尺（約平方英尺（約1.6平平 方米），不足以充當(dāng)一床沙灘毯子，但它包含方米），不足以充當(dāng)一床沙灘毯子，但它包含 有數(shù)百億個納米管，使其強(qiáng)度為鋼的有數(shù)百億個納米管，使其強(qiáng)度為鋼的200倍，倍， 但密度小但密度小30倍。倍。 n而且，而且，其防火和導(dǎo)電性能很好，因此還可以用其防火和導(dǎo)電性能很好，因此還可以用 于微型電子裝置中于微型電子裝置中。 n他們生產(chǎn)的納米管有幾毫米長。此被單是特意他們生產(chǎn)的納米管有幾毫米長。此被單是特意 制成的，能保證不脫落碳黑點(diǎn)。制成的，能保證不脫落碳黑點(diǎn)。 n此納米管的最可能應(yīng)用是此納米管的最可能應(yīng)用是生產(chǎn)超輕型合

51、成涂料，生產(chǎn)超輕型合成涂料， 用于飛機(jī)或太空船上。用于飛機(jī)或太空船上。 碳納米管超靈敏探測器碳納米管超靈敏探測器 可用于細(xì)胞可用于細(xì)胞 在受到壓力時，細(xì)胞會吐出 一股含有微量氮氧化物和其 他有毒物質(zhì)的氣流。最近， 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST）的研究人員成功制 作了一種超靈敏氣體探測器，超靈敏氣體探測器， 該探測器甚至靈敏到未來也該探測器甚至靈敏到未來也 許能探測到一個單細(xì)胞的微許能探測到一個單細(xì)胞的微 量排放，量排放，這為確定藥物或納 米粒子是否會損害細(xì)胞或研 究細(xì)胞間如何相互通信提供 了一條新途徑。 碳納米管造碳納米管造 世界最黑物質(zhì)世界最黑物質(zhì) 世界上最黑的物質(zhì)一直以來是世界上最

52、黑的物質(zhì)一直以來是一種鎳磷合金一種鎳磷合金。但是日前，。但是日前， 美國科學(xué)家宣布他們已經(jīng)刷新記錄，制造出了美國科學(xué)家宣布他們已經(jīng)刷新記錄，制造出了地球上最黑的物質(zhì)，地球上最黑的物質(zhì)， 比鎳磷合金還要黑上三倍，能夠吸收比鎳磷合金還要黑上三倍，能夠吸收99.9%的光線。的光線。 美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院將一種碳物質(zhì)作為現(xiàn)行的黑色標(biāo)準(zhǔn)，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院將一種碳物質(zhì)作為現(xiàn)行的黑色標(biāo)準(zhǔn)， 但此物質(zhì)比其還要黑上三十倍。這正是是科學(xué)家們長久以來苦苦但此物質(zhì)比其還要黑上三十倍。這正是是科學(xué)家們長久以來苦苦 尋找的理想黑色，它可以吸收所有的色光但是不反射。此物質(zhì)的尋找的理想黑色，它可以吸收所有的色光但是不反射

53、。此物質(zhì)的 反射指數(shù)是反射指數(shù)是0.045，相比之下，我們一般使用的黑漆的反射指，相比之下，我們一般使用的黑漆的反射指 數(shù)則是數(shù)則是5到到10。 此物質(zhì)可用于轉(zhuǎn)換太陽能，也可用于紅外線檢測或天文觀此物質(zhì)可用于轉(zhuǎn)換太陽能，也可用于紅外線檢測或天文觀 測。測。 該物質(zhì)該物質(zhì)主要由比頭發(fā)還要主要由比頭發(fā)還要 細(xì)上細(xì)上400倍的碳納米管組倍的碳納米管組 成，從而幫助其吸收光線。成，從而幫助其吸收光線。 目前，研究者們正將研究目前，研究者們正將研究 范圍擴(kuò)大到可見光之外，范圍擴(kuò)大到可見光之外， 探測此物質(zhì)對于紫外線以探測此物質(zhì)對于紫外線以 及其他在通訊系統(tǒng)中的不及其他在通訊系統(tǒng)中的不 同波長的光的作用。

54、如果同波長的光的作用。如果 研究結(jié)果有突破，研究結(jié)果有突破，將在軍將在軍 事和國防中得到重大利用。事和國防中得到重大利用。 物質(zhì)主要由碳納米管組成物質(zhì)主要由碳納米管組成 柔性碳納米管柔性碳納米管“揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器” n中國科學(xué)家最新研中國科學(xué)家最新研 究發(fā)現(xiàn)，碳納米管究發(fā)現(xiàn)，碳納米管 薄膜在有音頻電流薄膜在有音頻電流 通過時，會具有類通過時，會具有類 似似“揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器”的功的功 能。能。 n這些這些“揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器”的的 厚度只有幾十納米，厚度只有幾十納米， 而且是透明、柔軟而且是透明、柔軟 和可伸長的，它們和可伸長的，它們 可以被裁剪為任意可以被裁剪為任意 形狀和大小。形狀和大小。 n與人們常見

55、的揚(yáng)聲器不同，新開發(fā)出的納米器件沒與人們常見的揚(yáng)聲器不同，新開發(fā)出的納米器件沒 有磁體或者可移動的部件。有磁體或者可移動的部件。 n 制備該器件的過程如下制備該器件的過程如下：首先在：首先在4英寸的硅基英寸的硅基 上生長直徑上生長直徑10納米的碳納米管，然后將它們轉(zhuǎn)化成納米的碳納米管，然后將它們轉(zhuǎn)化成 寬寬10厘米長厘米長60米的連續(xù)的薄膜，這足以制造米的連續(xù)的薄膜，這足以制造500個個 面積為面積為10平方厘米的平方厘米的“揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器”。隨后，研究人員。隨后，研究人員 又將兩個電極附在薄膜上。如此一來，又將兩個電極附在薄膜上。如此一來，只要在其上只要在其上 簡單地施加一個正弦電壓，碳納米管

56、簡單地施加一個正弦電壓，碳納米管“揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器”就就 會由于熱聲效應(yīng)而發(fā)出聲音。會由于熱聲效應(yīng)而發(fā)出聲音。 該納米該納米揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器有望打開制造揚(yáng)聲器和其他有望打開制造揚(yáng)聲器和其他 聲學(xué)設(shè)備的新應(yīng)用和新方法聲學(xué)設(shè)備的新應(yīng)用和新方法，它可以安置在任何表，它可以安置在任何表 面，包括墻壁、天花板、窗戶、旗幟和衣服等。面，包括墻壁、天花板、窗戶、旗幟和衣服等。 碳納米管可提高油田產(chǎn)量碳納米管可提高油田產(chǎn)量 n日本信州大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)日本信州大學(xué)的科學(xué)家開發(fā) 出出在石油工業(yè)中使用碳納米在石油工業(yè)中使用碳納米 管來提高油田產(chǎn)量的技術(shù)，管來提高油田產(chǎn)量的技術(shù)， 有望實現(xiàn)產(chǎn)量大幅度提高。有望實現(xiàn)產(chǎn)量大幅度提

57、高。 n在鉆井系統(tǒng)中使用碳納米管在鉆井系統(tǒng)中使用碳納米管 可以開采到蘊(yùn)藏在更深處的可以開采到蘊(yùn)藏在更深處的 石油，石油，將油井的產(chǎn)量提高將油井的產(chǎn)量提高 35%到到70%。 n高溫和高壓是影響油田產(chǎn)量高溫和高壓是影響油田產(chǎn)量 的主要障礙，在石油開采過的主要障礙，在石油開采過 程中，程中，在鉆探桿中使用碳納在鉆探桿中使用碳納 米管能夠使鉆井工具承受米管能夠使鉆井工具承受 260攝氏度的高溫和每平方攝氏度的高溫和每平方 厘米厘米2.4噸的壓力。噸的壓力。 裝備有納米管的超微吸管裝備有納米管的超微吸管 n日本一個研究小組開發(fā)出一種裝備有機(jī)納米管日本一個研究小組開發(fā)出一種裝備有機(jī)納米管 的超微吸管，的

58、超微吸管，能噴出萬億分之一毫升的液體。能噴出萬億分之一毫升的液體。 n該發(fā)明該發(fā)明可望應(yīng)用于醫(yī)療和生物領(lǐng)域，比如向單可望應(yīng)用于醫(yī)療和生物領(lǐng)域，比如向單 個細(xì)胞內(nèi)注入極其微量的物質(zhì)或吸取細(xì)胞成分個細(xì)胞內(nèi)注入極其微量的物質(zhì)或吸取細(xì)胞成分 等。等。 n有機(jī)納米管由碳、氧、氮和氫分子構(gòu)成，內(nèi)徑有機(jī)納米管由碳、氧、氮和氫分子構(gòu)成，內(nèi)徑 50納米，長納米，長10微米。它可以裝在內(nèi)徑微米。它可以裝在內(nèi)徑1800納米納米 的玻璃微吸管尖端上，組成一個超微吸管。的玻璃微吸管尖端上，組成一個超微吸管。 n通過施加電壓，吸管內(nèi)的液體就會噴射出來，通過施加電壓，吸管內(nèi)的液體就會噴射出來， 噴射量可通過調(diào)整電壓控制，其

59、精度比以往微噴射量可通過調(diào)整電壓控制，其精度比以往微 吸管提高了上萬倍。吸管提高了上萬倍。 碳納米管具有獨(dú)特催化性能碳納米管具有獨(dú)特催化性能 納米碳管與納米粒子納米碳管與納米粒子 “協(xié)同束縛效應(yīng)協(xié)同束縛效應(yīng)”示意示意 圖圖 研究結(jié)果表明，研究結(jié)果表明，組裝在內(nèi)徑為組裝在內(nèi)徑為4-8 納米的多壁碳管內(nèi)的納米的多壁碳管內(nèi)的Rh-Mn催化催化 劑，催化生成碳二含氧化合物的劑，催化生成碳二含氧化合物的 產(chǎn)率明顯高于直接擔(dān)載在相同碳產(chǎn)率明顯高于直接擔(dān)載在相同碳 管外壁的催化劑，管外壁的催化劑，當(dāng)添加金屬鐵當(dāng)添加金屬鐵 和鋰等助劑后，每小時在每摩爾和鋰等助劑后，每小時在每摩爾 銠催化劑上生成的乙醇量高達(dá)銠

60、催化劑上生成的乙醇量高達(dá)84 摩爾。這類復(fù)合催化劑摩爾。這類復(fù)合催化劑上所表現(xiàn)上所表現(xiàn) 出的獨(dú)特催化性能為碳納米管和出的獨(dú)特催化性能為碳納米管和 金屬納米粒子體系的金屬納米粒子體系的“協(xié)同束縛協(xié)同束縛 效應(yīng)效應(yīng)”所致。所致。 Fe2O3納米粒子在碳納米納米粒子在碳納米 管管道內(nèi)外的組裝管管道內(nèi)外的組裝 （JACS 2006） Fe2O3納米粒子還原特性隨碳納米管納米粒子還原特性隨碳納米管 直徑的變化，其中直徑的變化，其中右圖是組裝在內(nèi)徑右圖是組裝在內(nèi)徑 為為4-8 nm碳管內(nèi)樣品的原位碳管內(nèi)樣品的原位X-射線衍射線衍 射譜圖射譜圖（JACS 2007） n研究結(jié)果表明，研究結(jié)果表明，分別被置于