碳納米管——它們是什麼，它們是如何製造的，它們的用途是什麼
什麼是碳納米管？
碳納米管（CNT）是由單層碳原子（石墨烯）卷曲而成的圓柱形分子。它們可以是直徑小於1納米的單壁（SWCNT）或多壁（MWCNT），由幾個同心互連的納米管組成，直徑超過100納米。它們的長度可以達到幾微米甚至幾毫米。
紫色的結構是一個人類頭發碎片，直徑約為8萬到10萬納米，背景是一個單壁碳納米管網絡。（圖片：吉爾卡·切赫）
就像他們的積木石墨烯一樣（為什麼不閱讀我們關於石墨烯–包括一張精彩的信息圖），碳納米管與sp化學結合2.鍵，一種極強的分子相互作用形式。
這一特性與碳納米管通過範德華力自然地連接在一起的傾向相結合，為開發具有高導電性和熱性能的超高強度、低重量材料提供了機會。這使得它們在眾多應用中極具吸引力。
碳同素異形體
碳是宇宙中含量第四豐富的元素，根據碳原子的排列，碳的形式多種多樣，稱為碳同素異形體.碳同素異形體具有獨特的強度和導電性。
室溫下的固體碳有兩種經典結構：金剛石和石墨。1985年，科學家發現了第三種也是新的碳同素異形體，它包含60個完全對稱排列的碳原子（也稱為C）60這意味著一項重大突破，開辟了碳納米化學的一個新領域。然後，在1991年，人們發現了碳納米管，並在2004年發現了石墨烯。
碳納米管的電學性質
卷起方向（卷起或卷起）手性石墨烯層的介電常數決定了納米管的電性能。手性描述了納米管六角碳原子晶格的角度。
扶手椅納米管——因其邊緣的扶手椅狀形狀而被稱為納米管——具有相同的手性指數，並因其完美的導電性而備受青睞。他們不一樣之字形的納米管，可能是半導體。隻需將石墨烯片轉動30度，它形成的納米管就會從扶手椅變成之字形，反之亦然。
雖然多壁碳納米管總是導電的，並且至少達到與金屬相同的導電水平，但單壁碳納米管的導電性取決於其手性載體：它們可以像金屬一樣導電；顯示半導體的特性；或者不導電。例如，螺旋度的螺距稍有變化，就可以將管從金屬轉變為大間隙半導體。
碳納米管的性質
除了從石墨烯繼承的電性能外，碳納米管還具有獨特的熱性能和機械性能，這使得它們對新材料的開發很有吸引力：
所有這些特性使碳納米管成為電子器件、化學/電化學和生物傳感器、晶體管、電子場發射器、鋰離子電池、白光源、儲氫電池、陰極射線管（CRT）、靜電放電（ESD）和電屏蔽應用的理想候選材料。
碳納米管和碳納米纖維的區別
請注意，碳納米管不同於碳納米纖維（CNF）。CNF通常有幾微米長，直徑約為200納米。碳纖維用於增強化合物已有幾十年的曆史，但它們的晶格結構與碳納米管不同。相反，它們由幾種形式的碳和/或幾層石墨組成，它們以不同的角度堆疊在非晶碳上（原子不會以有序結構排列）。CNF具有與CNT相似的性能，但由於其結構可變且內部不是中空的，因此其拉伸強度較低。
首先，你可以觀看以下五個關於碳納米管的短片：
誰發現了碳納米管？
每年都有數千篇關於碳納米管或相關領域的論文發表，其中大多數論文將碳納米管的發現歸功於1991年在《自然》雜誌上發表的開創性論文(“石墨碳螺旋微管”)報道了多壁碳納米管的發現。
粗略地看一下科學文獻，你可能會得到這樣的印象，即三島實際上是碳納米管的發現者。當然，毫無疑問，他在該領域做出了兩項開創性的貢獻，然而對文獻的仔細分析表明，他肯定不是第一個報告存在碳納米管的人。
該雜誌的社論碳(“碳納米管的發現應該歸功於誰？”)試圖通過描述導致碳納米管發現的時間事件來淨化空氣。通過深入研究碳納米管的曆史，很明顯，碳納米管的起源甚至可能是史前性質的（請閱讀我們關於碳納米管的文章）碳納米管的誕生和早期曆史.
碳納米管是如何製造的？
目前有三種主要方法可用於製備碳納米管：電弧放電、激光燒蝕石墨和化學氣相沉積（CVD）。
在前兩個過程中，石墨通過電或激光燃燒，在氣相中形成的碳納米管被分離。這三種方法都需要使用金屬（如鐵、鈷、鎳）作為催化劑。
化學氣相沉積法
CVD工藝目前最有希望，因為它可以在更容易控製的條件下以更低的成本生產更多的碳納米管。在CVD工藝中，製造商可以將金屬催化劑（如鐵）與含碳反應氣體（如氫或一氧化碳）結合，在高溫爐內的催化劑上形成碳納米管。
CVD期間催化劑顆粒上CNT生長的示意圖。首先，形成直徑相當於CNT的二級催化劑小顆粒，納米管開始在其上生長。催化劑顆粒位於新興納米管的頂部或底部。如果催化劑顆粒通過形成碳膜而失活，則生長將停止。（圖片：©英國皇家化學學會）
體育用品（自行車車架、網球拍、曲棍球棒、高爾夫球杆和球、滑雪板、皮劃艇；運動箭）
遊艇（桅杆、船體和帆船的其他部分）
紡織品（抗靜電和導電紡織品（“智能紡織品”）；防彈背心、防水和阻燃紡織品）
汽車、航空和航天（輕質、高強度結構複合材料）
工業工程（例如風力渦輪機轉子葉片、工業機器人手臂的塗層）
靜電電荷保護（例如，研究人員開發了導電和柔性專門用於空間應用的碳納米管薄膜)以及CNT基納米泡沫和氣凝膠的輻射屏蔽。
CNT織物在受控彈道測試中攔截了一枚9毫米的夾套子彈。所示材料的厚度與六張堆疊的名片大致相同。（來源：Nanocomp Technologies）
通過大環內的封裝對碳納米管催化劑進行正負調節。（圖片：艾米利奧·M·佩雷斯，IMDEA）
亞10納米碳納米管晶體管配置示意圖。（圖片：南伊利諾伊大學艾倫·斯科特）
用單壁碳納米管製造的柔性氫傳感器示例。（圖片：孫博士/阿貢）
CVD過程可以是純催化或等離子體支持的。後者所需的溫度（200-500°C）略低於催化過程（高達750°C），旨在產生“草坪狀”CNT生長。
淨化
盡管合成技術已經得到了改進，以獲得高純度的碳納米管，但含有雜質的副產品的形成，例如金屬包裹的納米顆粒、碳納米管尖端的金屬顆粒和無定形碳，是一種不可避免的現象，因為金屬納米顆粒對納米管的生長至關重要。
這些外來納米顆粒，以及合成過程中出現的結構缺陷，令人遺憾地意味著它們改變了所製備的碳納米管的物理化學性質。
這就是為什麼碳納米管需要在生產過程結束時通過酸處理或超聲波等多種方法進行純化。
碳納米管的應用及其用途
與傳統材料相比，碳納米管非常適合於幾乎任何需要高強度、耐久性、導電性、導熱性和輕質性能的應用。
目前，碳納米管主要用作合成材料的添加劑。CNT可作為粉末在市場上買到，即以高度纏結和凝聚的形式。為了使碳納米管展現其獨特的性質，它們需要解開並均勻地分布在基底上。
另一項要求是，碳納米管需要與基底進行化學結合，例如塑料材料。為此，對碳納米管進行了功能化，即對其表麵進行化學調整，以使其最佳地並入不同的材料中，並用於所討論的特定應用。
碳納米管還可以被紡成纖維，這不僅為特種紡織品帶來了有趣的可能性，還可能有助於實現一個特別烏托邦式的項目，即太空電梯.
材料
碳納米管納米複合材料由於其機械、電學、熱學、阻隔性和化學性質（如導電性、拉伸強度增加、熱偏轉溫度提高或阻燃性）而作為傳統複合材料的極具吸引力的替代品受到了廣泛關注。
這些材料有望提供更高的耐磨性和斷裂強度，抗靜電性能以及重量減輕。例如，據估計，先進的碳納米管複合材料可以將飛機和航天器的重量減少多達30%。
這些複合材料已經在工業中得到應用
催化作用
碳納米管之所以具有如此大的催化吸引力，是因為它具有極高的表麵積，並且能夠將任何化學物質附著在其側壁上。碳納米管已經被用作許多相關化學過程的催化劑，然而，控製其催化活性並不容易。
最初，碳納米管通過非常強的鍵（共價鍵）與分子結合，形成非常穩定的化合物。然而，這種連接意味著納米管結構的改變，因此也意味著其性質的改變。
這類似於用圖釘將廣告釘在帖子上：工會很強大，但它在廣告和帖子上都留下了漏洞。還使用了微弱的非共價力，使納米管的結構保持完整，但通常會產生動力學上不穩定的化合物。在這種情況下，比較方法是將廣告錄音到帖子上。廣告和帖子都沒有損壞，但工會的力量要弱得多。
為了克服這個問題，研究人員已經在開發通過機械鍵合對碳納米管進行化學改性的方法，這是第一個機械聯鎖碳納米管（MINT）.這類化合物與共價化合物一樣穩定，但同時也與非共價化合物的初始結構相同。
晶體管
盡管石墨烯和其他二維（2D）材料的興起，半導體單壁碳納米管仍然被認為是下一代高性能、超小型和薄膜晶體管以及取代矽電子器件的光電子器件的有力候選材料（更多信息：“20年的納米管晶體管”).
其中一個關鍵問題是，碳納米管晶體管能否在10納米以下的長度上提供比矽更高的性能優勢。
在納米電子學界，對於碳納米管晶體管是否能在極短的長度上保持其令人印象深刻的性能，存在著不同的看法。一些人認為，載流子的有效質量很小，會導致隧道現象，導致器件在15納米左右擊穿——這一觀點得到了探索這種尺寸的納米管器件的少數理論研究的支持。
與此同時，其他人仍然相信，由單壁碳納米管組成的超薄體——直徑隻有1納米——將允許晶體管在低於10納米的範圍內表現優異。
到目前為止，研究人員隻取得了有希望的實驗結果，在將碳納米管晶體管集成到工業規模的芯片製造中方麵，目前仍存在許多挑戰。
傳感器
這個組Cees Dekker的研究為基於碳納米管的電化學納米傳感器的開發鋪平了道路，展示了碳納米管作為量子線的可能性及其在場效應晶體管開發中的有效性。
許多研究表明，盡管碳納米管是堅固的惰性結構，但它們的電學性質對各種分子的電荷轉移和化學摻雜的影響極為敏感。
大多數基於碳納米管的傳感器都是場效應晶體管（FET）——雖然碳納米管是堅固的惰性結構，但它們的電性能對各種分子的電荷轉移和化學摻雜的影響極其敏感。碳納米管場效應晶體管已被廣泛用於檢測環境應用中的溫室氣體等氣體。
碳納米管的功能化對於使其對目標分析物具有選擇性很重要。不同類型的傳感器基於功能主義CNT和目標分析物之間的分子識別相互作用。
例如，研究人員開發了柔性氫傳感器使用鈀納米顆粒修飾的單壁碳納米管。
納米油墨
基於CNT分散體的油墨配方對印刷電子應用具有吸引力，例如透明電極、RFID標簽、薄膜晶體管、發光器件和太陽能電池（閱讀更多信息：用於印刷電子應用的導電納米材料").
電極
碳納米管已被廣泛用作化學和生物傳感應用以及許多其他電化學研究的電極。碳納米管以其獨特的大表麵積一維分子幾何結構，加上其優異的電學性能，已成為電極表麵分子工程的重要材料，其中具有區域特定電子轉移能力的電化學設備的開發至關重要。
展示
考慮到它們的高導電性和尖端令人難以置信的銳度（尖端的曲率半徑越小，電場越集中，場發射越高），碳納米管被認為是最有前途的場發射材料，一個實際的例子是碳納米管作為場發射顯示器（FED）的電子發射器。
場發射顯示（FED）技術使大麵積、高分辨率、低成本的新型平板顯示器成為可能。然而，FED製造要求CNT以精確的尺寸和密度生長。高度、直徑和尖端銳度會影響電壓，而密度會影響電流。
蕎麥紙
buckypaper有很多用途：作為已知最導熱的材料之一，buckypaper可以為芯片開發更高效的散熱器；更節能、更輕的顯示屏背景照明材料；一種電子電路的保護材料，由於其異常高的載流能力而免受電磁幹擾；或可切換表麵（參見：“用於可切換表麵的納米技術紙”).
光電和光子應用
雖然單個納米管在光吸收和發射中產生離散的精細峰，但由許多聚集在一起的碳納米管組成的宏觀結構也顯示出有趣的光學行為。
例如，一束毫米長的對齊多壁碳納米管通過電流加熱發出偏振光，與傳統鎢絲相比，單壁碳納米管束在較低電壓下發出更高的亮度。
納米醫學與生物技術
碳納米材料，如納米管或石墨烯，不僅因其在工業應用中的潛在用途而被廣泛研究，而且對致力於納米技術應用的生物醫學工程師也非常感興趣。
在各種生物醫學應用中使用碳納米管引起了人們極大的興趣。碳納米管的物理性質，如機械強度、導電性和光學性質，對於製造先進的生物材料具有重要價值。
碳納米管也可以進行化學修飾，以呈現特定的部分（例如，官能團、分子和聚合物），從而賦予適合生物應用的特性，例如增加溶解性和生物相容性，增強材料相容性和細胞響應性。
例如，摻氮碳納米管已被開發用於藥物輸送應用(“納米顆粒軟木塞碳納米管作為藥物載體”).
然而，碳納米管的細胞毒性問題已經引起了很多研究興趣，目前還沒有一個明確的答案。鑒於這些納米毒理學研究尚未得出結論，研究人員表示，有必要對具有各種化學和物理性質的碳納米管進行更係統的生物學評估，以確定其精確的藥代動力學、細胞毒性和最佳劑量。
過濾
高流量膜是未來高效節能水淨化的重要組成部分。研究人員已經證明，開口小於1納米的碳納米管可以有效地傳輸水。
當嵌入脂肪膜時，納米管會將進入水分子的水分子擠壓成一條單鏈，從而導致非常快速的運輸。這種流動比更寬的碳納米管快10倍，比最好的生物膜（一種叫做水通道蛋白的蛋白質）快6倍過濾水比過濾自然好").
碳納米管還被用於展示具有超透氣膜的防護紡織品。這些膜提供的水蒸氣傳輸速率超過了GoreTex等商用透氣織物，盡管碳納米管孔隻有幾納米寬。
關鍵的是，由於它們的孔徑非常小，小於5納米寬，因此它們也能提供生物製劑的保護。細菌或病毒等生物威脅要大得多，通常超過10納米。
為了使這些膜也能防止尺寸小得多的化學試劑，研究人員用化學威脅響應官能團對碳納米管表麵進行了修飾。這些功能組會像入口的看門人一樣感知並阻止威脅（閱讀更多信息：“第二層皮膚”保護士兵免受生物和化學製劑的傷害").