纳米管 碳纳米管：个性十足的神奇材料！

近日，中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组首次利用纳米管厚环端的“帽子”模板构建了纵向切割的纳米管弯曲段。通过三个弯曲分子连接两个石墨烯单元的方法可以直接获得纳米笼状结构，为构建带帽锯齿碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。

没有巧合。几乎与此同时，以开发世界上第一颗原子弹而闻名的洛斯阿拉莫斯实验室(Los Alamos Laboratory)的研究人员使用功能化的碳纳米管，生产了第一种利用通信波长在室温下可以发射单光子的碳纳米管材料。为什么神奇的材料碳纳米管如此受世界各地科学家的追捧？

空之间的结构就像“挖空足球”

1985年，具有“足球”结构的C60一被发现就引起了全世界的关注。将“足球”挖空，保持表面的五边形和六边形网格结构，然后将六边形网格沿一个方向展开，平面网格被赋予碳-碳原子和共价键，从而形成中等空圆柱形结构的碳纳米管。

碳纳米管是具有特殊结构的一维量子材料。主要由六方碳原子组成，形成几层到几十层的同轴圆管。层间距离约为0.34纳米，直径一般为2-20纳米。

“碳纳米管可以和头发联系在一起，但实际上它的直径只有几万根头发，也就是几万根碳纳米管并排在一起相当于一根头发。”杜平武教授说，单壁和多壁碳纳米管作为典型的一维纳米结构，其直径通常为0.8-2 nm和5-20 nm，目前报道的最细的碳纳米管直径可以小到0.4 nm。

杜平武说，碳纳米管可以看作是卷曲的石墨烯片，所以根据石墨烯片的数量可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。根据其结构特征，碳纳米管可以分为扶手椅型纳米管和之字形纳米管。

制备方法是一个挑战

“碳纳米管的常用制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法和聚合合成法。”杜平武说，电弧放电是生产碳纳米管的主要方法。1991年，日本物理学家饭岛正男首次从电弧放电产生的碳纤维中发现了碳纳米管。“这种方法比较简单，但是很难获得高纯度的碳纳米管，往往会获得多层的碳纳米管，但人们在实际研究中往往需要单层的碳纳米管。”

“后来研究人员发展了化学气相沉积法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。所得碳纳米管的纯度相对较高，但直径不规则，形状不规则。”杜平武说，未来逐渐发展起来的固相热解受到环境和条件的限制。

“碳纳米管的制备过程类似于有机合成反应，其副反应复杂多样。很难保证同一炉的碳纳米管是扶手椅型纳米管还是之字形纳米管。”杜平武说，在强酸和超声波的作用下，碳纳米管可以先断裂成几段，然后在一定的纳米尺度催化剂颗粒的作用下增殖和延伸，延伸后得到的碳纳米管和模板一样卷曲。

“如果以类似DNA扩增的方式增殖碳纳米管，只能发现少量的扶手椅型纳米管或之字形纳米管，在短时间内可以复制扩增出相同类型的碳纳米管数量，是模板数量的几百万倍。”杜平武表示，这可能成为制备高纯度碳纳米管的新途径。

性能和尺寸超过硅基材料

“碳纳米管具有完美的一维管状结构，碳原子之间通过碳碳共价键结合，形成自然界中最强的化学键之一，因此在轴向上具有很高的强度和韧性。此外，六边形平面蜂窝结构包围的管壁侧面没有悬挂键，因此碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说，碳纳米管的优异性能表现在电学、热学和光学方面，具有超越传统的电学和热导率的特性。

2013年，斯坦福大学的科学家们以平行排列的单壁碳纳米管为主要成分，制备了世界上最小的“计算机”。在过去的两年里，碳纳米管电子器件的性能和尺寸得到了一次又一次的突破，将超过并最终取代目前商业化的硅基器件。

碳纳米管也可以制成透明导电膜，可以作为触摸屏的替代材料。而且原料是甲烷、乙烯、乙炔等烃类气体，不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏灵活、抗干扰、防水、耐敲击、耐刮擦，可制成曲面，已应用于可穿戴设备、智能家具等领域。

碳纳米管还为物理学家提供了最薄的毛细管来研究毛细管现象，为化学家提供了最细的试管来进行纳米化学反应。科学家甚至开发了一种可以称量单个原子的“纳米尺度”。“我国在碳纳米管材料基础研究方面处于领先地位，结构均匀性的控制方法和理论也在不断创新，控制指标也在逐年更新。”杜平武说。