碳納米管專題

1、 碳納米管專題碳納米管專題Carbon Nano-tubes1 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(guó)薩爾蘭大學(xué)年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)Gleiter以及美國(guó)的以及美國(guó)的阿貢實(shí)驗(yàn)室的阿貢實(shí)驗(yàn)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徑為6nm的的Fe

2、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(gè)新的階段。晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1990年年7月在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó)際納米科學(xué)月在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。的一個(gè)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(guó)的和美國(guó)的Bethune等人在摻加等人在摻加過(guò)渡金屬催化劑的石墨電極間起弧放過(guò)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)了單壁納米管。 研究結(jié)果研究結(jié)果

3、：理論預(yù)計(jì)該材料具有優(yōu)異的力學(xué)、：理論預(yù)計(jì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)電學(xué)、磁學(xué)等性能，極具理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因而激起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣，碳納米值，因而激起了國(guó)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(lái)，美國(guó)，日本，德國(guó)，中國(guó)相繼成近年來(lái)，美國(guó)，日本，德國(guó)，中國(guó)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)用方面都取得了突破性的進(jìn)展。的進(jìn)展。 2 碳納

4、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(wú)縫納米級(jí)管。軸按一定的螺旋角卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)管。每層納米管是一個(gè)由碳原子通過(guò)每層納米管是一個(gè)由碳原子通過(guò)SP2雜化與周雜化與周圍圍3個(gè)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(zhǎng)為組成的圓柱面。其平面六角晶胞邊長(zhǎng)為2.46 ，最短的碳碳鍵長(zhǎng)最短的碳碳鍵長(zhǎng)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米管管存在多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米和單壁碳納

5、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(zhǎng)度分別為和長(zhǎng)度分別為230nm和和0.150m， SWNTs典型的直徑和長(zhǎng)度分別為典型的直徑和長(zhǎng)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層石墨片層）層石墨片層）From Ref. 3, 63 碳納米管的制備純化與表

6、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（Chemical vapor deposition ,CVD）是碳納米管的主要制備方法。）是

7、碳納米管的主要制備方法。 當(dāng)今世界公開(kāi)報(bào)道當(dāng)今世界公開(kāi)報(bào)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(shí)例量工業(yè)化生產(chǎn)碳納米管的實(shí)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

8、，直徑約為直徑約為30mm的高純高致密的石墨片，陽(yáng)極的高純高致密的石墨片，陽(yáng)極采用直徑約為采用直徑約為6mm的石墨棒，整個(gè)系統(tǒng)保持的石墨棒，整個(gè)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(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極進(jìn)給速。通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極進(jìn)給速度，可以保持在陽(yáng)極不斷度，可以保持在陽(yáng)極不斷消耗和陰極不斷生長(zhǎng)消耗和陰極不斷生長(zhǎng)的同時(shí)，兩電極的放電端面距離不變，從而可的同時(shí)，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米管，同時(shí)還可以得到大面積離散分布的碳納米管，同時(shí)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

9、，僅局限在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用，產(chǎn)量很低，僅局限在實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單，將一塊基板放：這種方法也很簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生自由的碳原氣體分解時(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也可能制備很長(zhǎng)的最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也可能制備很長(zhǎng)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。

10、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(guò)激光等將過(guò)渡金屬微粒和碳?xì)浠衔锿募夹g(shù)。通過(guò)激光等將過(guò)渡金屬微粒和碳?xì)浠衔锿瑫r(shí)加熱到高溫而使碳?xì)浠衔锇l(fā)生熱解而產(chǎn)生的。時(shí)加熱到高溫而使碳?xì)浠衔锇l(fā)生熱解而產(chǎn)生的?；驹恚夯驹恚阂院?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

11、體（feedstock）供給碳源，在金屬催化劑（過(guò)渡金屬如）供給碳源，在金屬催化劑（過(guò)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(shí)溫度較低（一般控制在由于制備時(shí)溫度較低（一般控制在5001000 )，生成，生成的的SWNTs缺陷較少，同時(shí)設(shè)備簡(jiǎn)單、產(chǎn)率較高、條件易控，缺陷較少，同時(shí)設(shè)備簡(jiǎn)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。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(guò)施加電場(chǎng)和控制給料的氣流方向，可以對(duì)通過(guò)施加電場(chǎng)和控制給料的氣流方向，可以對(duì)SWNTs的生長(zhǎng)方

12、向進(jìn)行控制；而通過(guò)控制作為催化劑的納米的生長(zhǎng)方向進(jìn)行控制；而通過(guò)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(zhǎng)形石英管中間，該管石墨混合的石墨靶放置于一長(zhǎng)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(shí)，將惰性時(shí)，將惰性氣體充入管內(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，

13、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(zhǎng)成碳納米管。作用下生長(zhǎng)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(guò)改變反應(yīng)溫度可主產(chǎn)物為單層碳納米管，通過(guò)改變反應(yīng)溫度可控制管的直徑。控制管的直徑。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

14、激光法（E）長(zhǎng)碳納米管束制造新方法長(zhǎng)碳納米管束制造新方法 中國(guó)清華大學(xué)和美國(guó)倫塞勒理工學(xué)院的研究人中國(guó)清華大學(xué)和美國(guó)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(zhǎng)達(dá)到了制造出的碳納米管束最長(zhǎng)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(duì)合成對(duì)合成碳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(guò)程中加入氫和另外一種含硫化合物后，學(xué)氣相淀積過(guò)程中加入氫

15、和另外一種含硫化合物后，不僅能制造出更長(zhǎng)的碳納米管束，而且這些碳納米不僅能制造出更長(zhǎng)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(guò)自我組裝而有規(guī)律地排管束可由單層碳納米管通過(guò)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(jiǎn)便研究人員認(rèn)為，他們的新方法作為一種更為簡(jiǎn)便的替代工藝，也許還可以的替代工藝，也許還可以用來(lái)生產(chǎn)高純度的單層碳用來(lái)生產(chǎn)高純度的單層碳納米管材料納米管材料。（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(guò)濾法、氣相沉積：氧化法、過(guò)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

16、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(kāi)始，由于端口長(zhǎng)度與納所以氧化先從端口開(kāi)始，由于端口長(zhǎng)度與納米雜質(zhì)粒子及無(wú)定形碳的長(zhǎng)度相差幾個(gè)數(shù)量米雜質(zhì)粒子及無(wú)定形碳的長(zhǎng)度相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，在相同的速度下氧化，雜質(zhì)粒子級(jí)，因此，在相同的速度下氧化，雜質(zhì)粒子和無(wú)定形碳先被氧化掉，最后只剩較為純凈、和無(wú)定形碳先被氧化掉，最后只剩較為純凈、甚至被打開(kāi)端口的碳管。甚至被打開(kāi)端口的碳管。 （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

17、700以上時(shí)，重量發(fā)生損失。在以上時(shí)，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(shí)，殘以上時(shí)，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(guò)程要持續(xù)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間，而且納米化侵蝕的過(guò)程要持續(xù)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)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?；旧先咳コ龝r(shí)，多層碳納米管的管壁也被氧化上全部去除時(shí)，多層碳納米管的管壁也被氧化侵蝕掉，最后剩下單

18、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(guó)學(xué)者該法由英國(guó)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(gè)兩端有塞子的電法所得的陰極沉積物放入一個(gè)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，此時(shí)碳納米管的封口被打開(kāi)。繼續(xù)加熱，碳納米時(shí)碳納米管的封口被打開(kāi)。繼續(xù)加熱，碳納米顆粒、碳納米球、無(wú)定形炭將被氧化燒蝕，被顆粒、碳納米球、無(wú)定形炭將被氧化燒蝕，被氧化除去。而且當(dāng)氧化時(shí)間足夠時(shí)，氧化除去。而且當(dāng)氧化時(shí)間足夠時(shí)，MWNTs的管壁會(huì)受

19、到侵蝕，從而變成的管壁會(huì)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管處理的碳納米管14。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)過(guò)適當(dāng)濃度硝酸氧化處理一定時(shí)間的經(jīng)過(guò)適當(dāng)濃度硝酸氧化處理一定時(shí)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

20、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(duì)電弧法所以堿為分散劑對(duì)電弧法所得產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)處理，以混酸為氧化劑對(duì)得產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)處理，以混酸為氧化劑對(duì)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

21、酸性重鉻酸鉀溶液研究了酸性重鉻酸鉀溶液對(duì)電弧放電法所制備對(duì)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(shí)間等對(duì)碳納米管純了硫酸用量、反應(yīng)溫度、時(shí)間等對(duì)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(guò)量硫酸用量過(guò)量50%，反應(yīng)溫度，反應(yīng)溫度140，反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間時(shí)間2h，為最佳實(shí)驗(yàn)條件。，為最佳實(shí)驗(yàn)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(guò)溴水、重鉻酸鉀、混：碳納米管的修飾是指通過(guò)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，

22、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(jiàn)的一種。碳納米管可端頭修飾是化學(xué)修飾中最常見(jiàn)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(kāi)而氧化成羧基，從而與構(gòu)，強(qiáng)氧化劑可將端頭打開(kāi)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(shí)，碳納米其它的化學(xué)試劑反應(yīng)，引入增溶

23、基。同時(shí)，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(lái)與其他化合物通過(guò)電子可以被用來(lái)與其他化合物通過(guò)-非非共價(jià)鍵作用相結(jié)合，得到修飾的碳納米管。共價(jià)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(jià)功能化、非共價(jià)功能化：共價(jià)功能化、非共價(jià)功能化(A)共價(jià)功能化共價(jià)功能化定義定義：通過(guò)共價(jià)鍵聯(lián)接來(lái)修飾碳納米管的方法：通過(guò)共價(jià)鍵聯(lián)接來(lái)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

24、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(jià)功能化非共價(jià)功能化定義定義：通過(guò)對(duì)：通過(guò)對(duì)CNTs進(jìn)行物理吸附和包裹來(lái)修飾進(jìn)行物理吸附和包裹來(lái)修飾碳納米管的方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(jià)鍵是自然界共價(jià)鍵是

25、自然界最強(qiáng)的價(jià)鍵之一，賦予碳納米管極強(qiáng)的強(qiáng)度、韌性最強(qiáng)的價(jià)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點(diǎn)，直接用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量其力學(xué)性能比較困難，因此最初對(duì)統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量其力學(xué)性能比較困難，因此最初對(duì)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(cè)理論預(yù)測(cè)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(cè)試了碳納米管的彎曲強(qiáng)度，技術(shù)測(cè)試了碳納米管的彎

26、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(rùn)滑性自潤(rùn)滑性，其耐磨性要比軸承鋼高，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

27、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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)耐磨性，還能提高產(chǎn)品的期限，若能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其效益將是非常巨大的?；?，其效益將是非常巨大的。 自潤(rùn)滑性自潤(rùn)滑性：利用碳納米管的自潤(rùn)滑性，可以：利用碳納米管的自潤(rùn)滑性，可以用來(lái)制造潤(rùn)滑材料，關(guān)于這一點(diǎn)，已取得了一用來(lái)制造潤(rùn)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(gè)碳納米管修用一個(gè)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(gè)方法研究生物分子，解決了許多這個(gè)方法研究生物分子，解決了許多STM針針尖無(wú)法解決的問(wèn)題，其分辨率也高。

28、尖無(wú)法解決的問(wèn)題，其分辨率也高。 理論估計(jì)其理論估計(jì)其楊氏模量楊氏模量高達(dá)高達(dá)5TPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得平均為得平均為1.8TPa，比一般的碳纖維高一個(gè)數(shù)量，比一般的碳纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)，與金剛石的模量幾乎相同，為已知材料的級(jí)，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(jí)晶須的兩倍；其，是最好微米級(jí)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

29、。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(gè)碳原子有一個(gè)未成對(duì)電雜化，每個(gè)碳原子有一個(gè)未成對(duì)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(guò)改性，因而碳納米管的傳導(dǎo)性可通過(guò)改變管中變管中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

30、結(jié)構(gòu)和和直徑直徑來(lái)變化。來(lái)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(shí)，單壁碳納米管為當(dāng)手性矢量符合一定數(shù)時(shí)，單壁碳納米管為金金屬導(dǎo)電性屬導(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(kāi)關(guān)和傳感器等。它將

31、成為鐵氧體的有頭、磁開(kāi)關(guān)和傳感器等。它將成為鐵氧體的有力的競(jìng)爭(zhēng)者。新近發(fā)現(xiàn)的碳納米管軟磁材料的力的競(jìng)爭(zhēng)者。新近發(fā)現(xiàn)的碳納米管軟磁材料的高頻場(chǎng)中具有巨磁阻抗效應(yīng)。高頻場(chǎng)中具有巨磁阻抗效應(yīng)。 （4）良好的儲(chǔ)氫性能良好的儲(chǔ)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(chǔ)氫材料。被認(rèn)為是最好的儲(chǔ)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

32、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。 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(guò)渡金屬鎳。碳納米管吸波的表面鍍上一層均勻的過(guò)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(shí)，在時(shí)，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(shí)，時(shí)，-10dB的的頻寬為頻寬為2.23

33、 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(shì)化的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)對(duì)提高材料的吸波性能是有利，這種趨勢(shì)對(duì)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(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生耗散電流，在周圍基體作用磁場(chǎng)的作用下，會(huì)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

34、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)定的發(fā)射光譜，很高的發(fā)光強(qiáng)度以及優(yōu)秀的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàng)成步研究成果，提出了碳納米管電燈泡的概念。該項(xiàng)成果得到世界著名刊物果得到世界著名刊物Scie

35、nce和和Nature的高度評(píng)價(jià)。的高度評(píng)價(jià)。 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(jiàn)光區(qū)有熒光發(fā)射呈現(xiàn)綠色。見(jiàn)光區(qū)有熒光發(fā)射呈現(xiàn)綠色。 Sun等通過(guò)等通過(guò)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(zhǎng)波方向移動(dòng)，為碳納米管在光電子器件方面的應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，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

36、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(wàn)米萬(wàn)米。同。同時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)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(huì)從一個(gè)碳納米管傳到另一個(gè)碳納米管，量也不會(huì)從一個(gè)碳納米管傳到另一個(gè)碳納米管，這說(shuō)明碳納米管這說(shuō)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

37、今后超高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)芯片導(dǎo)熱板計(jì)算機(jī)芯片導(dǎo)熱板，也可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭等各種高溫部件的也可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭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(jì)的室溫?zé)釋?dǎo)率預(yù)計(jì)達(dá)達(dá)3

38、000W/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?zé)釋?dǎo)率達(dá)熱導(dǎo)率達(dá)6000W/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(jí)的金屬小顆粒。由碳納米管制得分散和穩(wěn)定納米級(jí)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(bào)道曾報(bào)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

39、納米管的直徑處于納米級(jí)，長(zhǎng)度：碳納米管的直徑處于納米級(jí)，長(zhǎng)度則可達(dá)數(shù)微米至數(shù)毫米，因而具有很大的長(zhǎng)徑比，則可達(dá)數(shù)微米至數(shù)毫米，因而具有很大的長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行填充、包裹和空間限制反應(yīng)可合成其板，對(duì)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

40、美國(guó)和巴西科學(xué)家的一項(xiàng)最新美國(guó)和巴西科學(xué)家的一項(xiàng)最新研究，發(fā)現(xiàn)了碳納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(shí)，可以表現(xiàn)出一種超拉伸或壓縮時(shí)，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(lái)巨大的應(yīng)用前景，為碳納米管帶來(lái)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(gè)方向拉伸大多數(shù)材料在朝一個(gè)方向拉伸時(shí)，另一個(gè)方向就會(huì)變細(xì)變窄。這時(shí)，另一個(gè)方向就會(huì)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(shí)際伸長(zhǎng)比例的比值與實(shí)際伸長(zhǎng)比例的比值)來(lái)定量描述。來(lái)定量描述。然而，最新

41、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(shí)，長(zhǎng)度和寬度在拉伸和均勻壓縮時(shí)，長(zhǎng)度和寬度同時(shí)增加。也就是說(shuō)這種材料具有同時(shí)增加。也就是說(shuō)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(huì)薄層的泊松比會(huì)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(jià)值，比如設(shè)

42、計(jì)新的研究成果具有重要的應(yīng)用價(jià)值，比如設(shè)計(jì)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(shí)，時(shí)，這種材料對(duì)于設(shè)計(jì)彎曲時(shí)寬度依然不變的感應(yīng)這種材料對(duì)于設(shè)計(jì)彎曲時(shí)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

43、伸縮。而在上快速伸縮。而在垂直方向垂直方向上，上，它卻極為堅(jiān)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(jiān)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(lái)。在空氣中漂浮起來(lái)。碳納米管碳納米管“蜘蛛衣蜘蛛衣” 一教授計(jì)劃用一種名為碳一教授計(jì)劃用一種名為碳納米管的超細(xì)纖維來(lái)制造納米管的超細(xì)纖維來(lái)制造“蜘蛛衣蜘蛛衣”，這種材料內(nèi)，這種材料內(nèi)部中空

44、。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(zhǎng)滿了細(xì)小的剛毛，腳上長(zhǎng)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(lái)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(wàn)，因此一片手掌大小的萬(wàn)，因此一片手掌大小的纖維中可容納數(shù)十億的碳納米管，

45、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(shí)吊起屋頂上，可以同時(shí)吊起14個(gè)重量為個(gè)重量為83公斤的壯漢。公斤的壯漢。當(dāng)然，要移動(dòng)也很簡(jiǎn)單，當(dāng)然，要移動(dòng)也很簡(jiǎn)單，只要沿著表面稍微上下左右挪動(dòng)一下，只要沿著表面稍微上下左右挪動(dòng)一下，粘結(jié)處就會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)斷開(kāi)。粘結(jié)處就會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)斷開(kāi)。 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，像在太空中，艙外作在太空中，艙外作業(yè)的

46、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(jì)，世界第一據(jù)估計(jì)，世界第一套套“蜘蛛衣蜘蛛衣”有望在有望在2017年前問(wèn)世。年前問(wèn)世。高高性能超長(zhǎng)碳納米管材料性能超長(zhǎng)碳納米管材料 強(qiáng)度超過(guò)鋼強(qiáng)度超過(guò)鋼 n美國(guó)一家公司研制出了一種美國(guó)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(guò)鋼，傳導(dǎo)性能接近鋁。使用薄材料，其強(qiáng)度超過(guò)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(zhǎng)得多，長(zhǎng)度要以毫這種納米管比平常的納米管長(zhǎng)得多，長(zhǎng)度要以毫米計(jì)，而不是以微

47、米計(jì)。此外，納米管加長(zhǎng)后可米計(jì)，而不是以微米計(jì)。此外，納米管加長(zhǎng)后可以更有效地黏合。以更有效地黏合。 n這一制作過(guò)程使用了化學(xué)氣相沉積技術(shù)。這一制作過(guò)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(guò)程中，碳從一種氣體中被壓縮出來(lái)。氣相沉積過(guò)程中，碳從一種氣體中被壓縮出來(lái)。由此做成的納米管就像一種拆開(kāi)的墊子，必須經(jīng)由此做成的納米管就像一種拆開(kāi)的墊子，必須經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，使納米管定向排列，從而導(dǎo)致這種過(guò)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，是鋼的因納米碳管既輕又強(qiáng)度極高，是鋼的10-100倍，用它來(lái)作防彈衣就

48、像用羽絨做成倍，用它來(lái)作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來(lái)疊去，又能抵的防寒服一樣，既可折來(lái)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(guó)新漢普郡的一個(gè)技術(shù)公司設(shè)法制造出了英國(guó)新漢普郡的一個(gè)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(mèng)想，的夢(mèng)想，或許有一天我們會(huì)沿著超輕超強(qiáng)的碳納米管或許有一天我們會(huì)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

49、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(gè)納米管，使其強(qiáng)度為鋼的有數(shù)百億個(gè)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(zhǎng)。此被單是特意他們生產(chǎn)的納米管有幾毫米長(zhǎng)。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(cè)器碳納米管超

50、靈敏探測(cè)器 可用于細(xì)胞可用于細(xì)胞 在受到壓力時(shí)，細(xì)胞會(huì)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(guó)國(guó)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(cè)器，超靈敏氣體探測(cè)器，該探測(cè)器甚至靈敏到未來(lái)也該探測(cè)器甚至靈敏到未來(lái)也許能探測(cè)到一個(gè)單細(xì)胞的微許能探測(cè)到一個(gè)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(huì)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(lái)是世界上最黑的物質(zhì)一直以來(lái)是一種鎳磷合金一種鎳磷合金。但是日前，。但是日前，美國(guó)科學(xué)家宣布他們已經(jīng)刷新記錄，制造出了美國(guó)科學(xué)家宣布他們已

51、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(guó)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(guó)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(zhǎng)久以來(lái)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(zhǎng)久以來(lái)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。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1

52、0。 此物質(zhì)可用于轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能，也可用于紅外線檢測(cè)或天文觀此物質(zhì)可用于轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能，也可用于紅外線檢測(cè)或天文觀測(cè)。測(cè)。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(jiàn)光之外，范圍擴(kuò)大到可見(jiàn)光之外，探測(cè)此物質(zhì)對(duì)于紫外線以探測(cè)此物質(zhì)對(duì)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(zhǎng)的光的作用。如果同波長(zhǎng)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(guó)防中得到重大利用。事和國(guó)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

53、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(guó)科學(xué)家最新研中國(guó)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(guò)時(shí)，會(huì)具有類通過(guò)時(shí)，會(huì)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(zhǎng)的，它們和可伸長(zhǎng)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(jiàn)的揚(yáng)聲器不同，新開(kāi)發(fā)出的納米器件沒(méi)與人們常見(jiàn)的揚(yáng)聲器不同，新開(kāi)發(fā)出的納米器件沒(méi)有磁體或者可移動(dòng)的部件。有磁體或者可移動(dòng)的部件。n 制備該器件的過(guò)程如下制備該器件的過(guò)程如下：首先在：首先在

54、4英寸的硅基英寸的硅基上生長(zhǎng)直徑上生長(zhǎng)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(zhǎng)厘米長(zhǎng)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(gè)個(gè)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(gè)電極附在薄膜上。如此一來(lái)，又將兩個(gè)電極附在薄膜上。如此一來(lái)，只要在其上只要在其上簡(jiǎn)單地施加一個(gè)正弦電壓，碳納米管簡(jiǎn)單地施加一個(gè)正弦電壓，碳納米管“揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器”就就會(huì)由于熱聲效應(yīng)而發(fā)出聲音。會(huì)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(kāi)制造揚(yáng)聲器和其他有望打開(kāi)制造揚(yáng)聲器和其他聲學(xué)設(shè)備的新應(yīng)用和新方

55、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(kāi)發(fā)日本信州大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)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(lái)提高油田產(chǎn)量的技術(shù)，管來(lái)提高油田產(chǎn)量的技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量大幅度提高。有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量大幅度提高。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(kāi)采到蘊(yùn)藏在更深處的可以開(kāi)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)

56、量的主要障礙，在石油開(kāi)采過(guò)的主要障礙，在石油開(kāi)采過(guò)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(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出一種裝備有機(jī)納米管日本一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出一種裝備有機(jī)納米管的超微吸管，的超微吸管，能噴出萬(wàn)億分之一毫升的液體。能噴出萬(wàn)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(gè)細(xì)胞內(nèi)注入極其微量的物質(zhì)或吸取細(xì)胞成分個(gè)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。

57、 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(zhǎng)納米，長(zhǎng)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(gè)超微吸管。的玻璃微吸管尖端上，組成一個(gè)超微吸管。n通過(guò)施加電壓，吸管內(nèi)的液體就會(huì)噴射出來(lái)，通過(guò)施加電壓，吸管內(nèi)的液體就會(huì)噴射出來(lái)，噴射量可通過(guò)調(diào)整電壓控制，其精度比以往微噴射量可通過(guò)調(diào)整電壓控制，其精度比以往微吸管提高了上萬(wàn)倍。吸管提高了上萬(wàn)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

58、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(shí)在每摩爾和鋰等助劑后，每小時(shí)在每摩爾銠催化劑上生成的乙醇量高達(dá)銠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

59、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，分別被置于碳納米管內(nèi)和外壁的金屬氧化物的還原特性有明顯差異。n采用內(nèi)徑為采用內(nèi)徑為4-8納米的多壁碳納米的多壁碳管，組裝在其管道內(nèi)的氧化管，組裝在其管道內(nèi)的氧化鐵納米粒子還原為金屬鐵的鐵納米粒子還原為金屬鐵的溫度比位于外壁的粒子降低溫度比位于外壁的粒子降低了近了近200攝氏度，隨著所采用攝氏度，

60、隨著所采用的碳管內(nèi)徑的減小，其還原的碳管內(nèi)徑的減小，其還原溫度同步下降。相同條件下，溫度同步下降。相同條件下，金屬鐵被氧化為鐵氧化物的金屬鐵被氧化為鐵氧化物的特性也受到碳管的明顯調(diào)制，特性也受到碳管的明顯調(diào)制，管內(nèi)金屬鐵的氧化反應(yīng)活化管內(nèi)金屬鐵的氧化反應(yīng)活化能升高了能升高了4千焦耳千焦耳/摩爾左右，摩爾左右，這意味著這意味著在相同條件下，置于碳管內(nèi)的金屬鐵的氧化(如腐蝕等)速率將會(huì)被明顯減緩。納米碳管內(nèi)外的納米碳管內(nèi)外的Rh-Mn催催化劑催化合成氣制乙醇的化劑催化合成氣制乙醇的特性特性 碳納米管涂料可作加熱層碳納米管涂料可作加熱層 n英國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，英國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，一種透明的含碳納米管涂料