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(CNTs)是由單層碳原子(石墨烯)卷成的圓柱形分子。它們可以是直徑小於1納米(nm)的單壁(SWCNT)，也可以是由幾個同心相連的納米管組成的多壁(MWCNT)，直徑超過100納米。它們的長度可以達到幾微米甚至毫米。
紫色結構是人類頭發碎片，直徑約為8 - 10萬納米，背景是單壁碳納米管網絡。(圖片來源:Jirka切赫)
就像他們的積木石墨烯(為什麼不閱讀我們的廣泛教程石墨烯-其中包括一個奇妙的信息圖表)，碳納米管與sp化學結合2化學鍵是一種分子相互作用的極強形式。
這一特性加上碳納米管通過範德華力自然傾向於結合在一起，為開發超高強度、低重量、具有高導電電學和熱性能的材料提供了機會。這使得它們對許多應用具有很高的吸引力。
碳同素異形體
碳是宇宙中第四豐富的元素，根據碳原子的排列方式，有各種各樣的形式，稱為碳同素異形體．碳同素異形體表現出獨特的強度和導電性。
固體碳在室溫下有兩種經典結構:金剛石和石墨。1985年發現了第三種新的碳同素異形體，它含有60個完全對稱排列的碳原子(也稱為C60富勒烯或巴基球)意味著重大突破，開辟了碳納米化學的新領域。1991年發現了碳納米管，2004年發現了石墨烯。
碳納米管的電學性質
卷起方向(卷起或手性石墨烯層的矢量)決定了納米管的電學性質。手性描述了納米管六邊形碳原子晶格的角度。
扶手椅納米管——因其邊緣像扶手椅一樣的形狀而得名——具有相同的手性指數，並因其完美的導電性而備受期待。它們不一樣鋸齒形納米管，可能是半導體。將石墨烯薄片旋轉僅僅30度，就會使它形成的納米管從扶手椅變成之字形，反之亦然。
雖然MWCNTs始終具有導電性，並且至少具有與金屬相同的導電性水平，但SWCNTs的導電性取決於它們的手性載體:它們可以表現得像金屬一樣，具有導電性;顯示半導體的特性;或者不導電。例如，螺旋度的螺距的微小變化可以將金屬管轉變為大間隙半導體。
碳納米管的性質
碳納米管除了繼承自石墨烯的電學性能外，還具有獨特的熱學和力學性能，這使它們成為開發新材料的有趣之處:
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、氫存儲電池、陰極射線管(crt)、靜電放電(ESD)和電屏蔽應用的理想候選。
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(CNFs)。cnf通常有幾微米長，直徑約200納米。幾十年來，碳纖維一直被用於增強化合物，但它們不具有與碳納米管相同的晶格結構。相反，它們是由幾種形式的碳和/或幾層石墨組成的組合，這些石墨以不同的角度堆疊在無定形碳上(原子不按有序結構排列)。CNFs與碳納米管具有相似的性能，但由於其結構多變，其抗拉強度較低，且內部不是中空的。
首先，你可以觀看這五個關於碳納米管的短視頻:
誰發現了碳納米管?
每年有成千上萬篇關於碳納米管或相關領域的論文發表，其中大多數論文都將碳納米管的發現歸功於Sumio Iijima，他於1991年在《自然》雜誌上發表了一篇開創性的論文(石墨碳螺旋微管)報道發現多壁碳納米管。
粗略地看一下科學文獻，人們可能會有這樣的印象，即飯島是碳納米管事實上的發現者。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道CNTs存在的人。
雜誌上的一篇社論碳（“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消除誤解。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(在這裏閱讀更多關於我們的文章碳納米管的誕生和早期曆史．
碳納米管是如何製成的?
目前製備CNTs的方法主要有三種:電弧放電、石墨激光燒蝕和化學氣相沉積(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。
化學汽相澱積工藝
CVD工藝目前擁有最大的前景，因為它可以在更容易控製的條件下以更低的成本生產大量的CNTs。在CVD工藝中，製造商可以將金屬催化劑(如鐵)與含碳的反應氣體(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過程中碳納米管在催化劑顆粒上生長的示意圖。首先，碳納米管直徑大小的次級催化劑顆粒發育，納米管開始在其上生長。催化劑顆粒在出現的納米管的頂部或底部。如果催化劑顆粒通過碳包膜的形成而失活，生長就會停止。(圖片來源:©英國皇家化學學會)
體育用品(自行車架、網球拍、曲棍球棒、高爾夫球杆及球、滑雪板、皮艇;運動箭頭)
遊艇(帆船的桅杆、船體和其他部件)
紡織品(防靜電及導電紡織品(“智能紡織品”);防彈背心、防水及阻燃紡織品)
汽車、航空和航天(輕質、高強度結構複合材料)
工業工程(如風力渦輪機轉子葉片塗層，工業機械臂)
以靜電電荷防護為例，研究人員已經研製出導電和柔性的靜電防護碳納米管薄膜專門用於空間應用)以及碳納米管納米泡沫和氣凝膠的輻射屏蔽。
碳納米管織物擋住了一枚9毫米口徑的子彈在受控彈道測試中。圖中所示的材料厚度大致相當於6張疊好的名片。(來源:Nanocomp Technologies)
碳納米管催化劑在大環內包封的正負調控。(圖片來源:Emilio M. Pérez, IMDEA)
10納米以下碳納米管晶體管結構示意圖。(圖片來源:南伊利諾伊大學Aaron Scott)
由單壁碳納米管製成的柔性氫傳感器示例。(圖片來源:Dr. Sun/Argonne)
CVD工藝可以是純催化的或等離子體支撐的。後者所需的溫度(200-500°C)略低於催化工藝(高達750°C)，旨在產生“草坪狀”碳納米管生長。
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，但含有雜質的副產物的形成，如金屬包裹的納米顆粒，碳納米管尖端的金屬顆粒，以及非晶碳一直是不可避免的現象，因為金屬納米顆粒對納米管的生長至關重要。
這些外來的納米顆粒，以及在合成過程中發生的結構缺陷，具有不幸的含義，它們改變了所生產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的最後通過酸處理或超聲波等各種方法進行純化。
碳納米管的應用及其用途
與傳統材料相比，碳納米管幾乎適用於任何需要高強度、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。在市售中，碳納米管以粉末形式出售，即以高度纏結和團聚的形式出售。為了使碳納米管展現其特定的性質，需要將其解開並均勻地分布在基底上。
另一個要求是碳納米管需要與基底(例如塑料材料)進行化學結合。為此，碳納米管被功能化，即其表麵經過化學適應，可最佳地摻入到不同材料中並適用於相關的特定應用。
碳納米管還可以紡成纖維，這不僅為特種紡織品提供了有趣的可能性，而且可能有助於實現一個特別烏托邦的項目——碳納米管太空電梯．
材料
碳納米管納米複合材料由於其機械、電、熱、屏障和化學性能，如導電性、抗拉強度、熱偏轉溫度或阻燃性等，作為傳統複合材料的一種極具吸引力的替代品而受到廣泛關注。
這些材料有望提供更高的耐磨性和斷裂強度，抗靜電性能以及減輕重量。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30%。
這些複合材料已被用於
催化
碳納米管在催化方麵如此具有吸引力的原因是其極高的表麵積，以及將基本上任何化學物質附著在其側壁上的能力。碳納米管已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化學鍵(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，從而改變了它的性質。
這類似於用圖釘把廣告釘在柱子上:工會很牢固，但在廣告和柱子上都留下了一個洞。弱非共價力也被使用，這保持了納米管的結構完整，但通常會產生動力學不穩定的化合物。在這種情況下的比較是將廣告貼在郵筒上。廣告和郵件都沒有受到損害，但工會的力量大大削弱。
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修飾的方法，這是碳納米管的第一個例子機械互鎖碳納米管．這類化合物與共價化合物一樣穩定，但同時又與非共價化合物一樣具有初始結構。
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、超尺度和薄膜晶體管以及取代矽電子器件的光電子器件的強有力候選者。“20年的納米管晶體管”）.
其中一個關鍵問題是，碳納米管晶體管在10納米以下的長度上是否比矽晶體管具有性能優勢。
在納米電子學領域，關於碳納米管晶體管是否能在極長比例下保持其令人印象深刻的性能，一直存在著不同的意見。一些人認為，載流子的有效質量非常小，會導致隧穿現象，導致器件在15納米左右擊穿——這一觀點得到了少數探索這種尺寸的納米管器件的理論研究的支持。
與此同時，其他人仍然相信，單壁碳納米管的超薄體(直徑隻有1納米)即使在10納米以下的範圍內也可以實現出色的晶體管性能。
到目前為止，研究人員隻取得了有希望的實驗結果，在這一點上，將碳納米管晶體管集成到工業規模的芯片製造中仍然存在許多挑戰。
傳感器
的集團Dekker的一項研究通過展示SWCNTs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，為碳納米管基電化學納米傳感器的開發鋪平了道路。
許多研究表明，雖然碳納米管是堅固的惰性結構，但其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)——盡管碳納米管是堅固的惰性結構，但其電學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-場效應管已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非常重要。不同類型的傳感器是基於功能碳納米管和目標分析物之間的分子識別相互作用。
例如，研究人員已經開發出柔性氫傳感器用單壁碳納米管裝飾鈀納米顆粒。
納米油墨
基於碳納米管分散體的油墨配方對印刷電子應用很有吸引力，如透明電極、RFID標簽、薄膜晶體管、發光器件和太陽能電池(閱讀更多內容:用於印刷電子應用的導電納米材料”)。
電極
碳納米管作為電極被廣泛應用於化學和生物傳感應用以及許多其他電化學研究。碳納米管具有獨特的大表麵積一維分子幾何結構，再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，在電極表麵，開發具有區域特定電子轉移能力的電化學器件至關重要。
顯示
考慮到碳納米管的高導電性和尖端令人難以置信的鋒利性(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)技術使新型大麵積、高分辨率、低成本的平板顯示器成為可能。然而，FED製造要求碳納米管以精確的尺寸和密度生長。高度、直徑和尖端銳度影響電壓，而密度影響電流。
Buckypapers
巴克紙有很多用途:作為已知的最導熱材料之一，巴克紙可以為芯片開發更高效的散熱片;更節能和更輕的顯示屏背景照明材料;一種保護電子電路免受電磁幹擾的材料，因其具有異常高的載流能力;或可切換表麵(見:可切換表麵用納米技術紙）.
光電與光子應用
雖然單個納米管在光學吸收和發射中產生離散的細峰，但由許多碳納米管聚集在一起組成的宏觀結構也表現出有趣的光學行為。
例如，一毫米長的排列的MWCNTs束通過電流加熱發出偏振白熾燈，與傳統鎢絲相比，swcnts束在較低的電壓下發出更高的亮度。
納米醫學和生物技術
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，它們也引起了從事納米技術應用的生物醫學工程師的極大興趣。
在各種生物醫學應用中使用碳納米管引起了相當大的興趣。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。
碳納米管還可以通過化學修飾來呈現特定的部分(例如，官能團、分子和聚合物)，以賦予適合生物應用的特性，例如增加溶解度和生物相容性，增強材料相容性和細胞響應性。
例如，氮摻雜碳納米管已被開發用於藥物輸送應用(納米顆粒填充碳納米管作為藥物輸送載體）.
然而，碳納米管的細胞毒性問題已經引起了許多研究興趣，但還沒有得出明確的答案。鑒於這些納米毒理學研究的不確定性，研究人員表示，有必要對具有各種化學和物理性質的CNTs進行更係統的生物學評價，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水淨化的重要組成部分。研究人員已經證明了在開口小於一納米的碳納米管中有效的水運輸。
當嵌入脂肪膜時，納米管將進入的水分子擠壓成一個單一的文件鏈，這導致了非常快速的運輸。流動速度比更寬的碳納米管快10倍，比最好的生物膜快6倍，一種叫做水通道蛋白的蛋白質(閱讀更多:“過濾水比自然更好”)。
碳納米管還被用於演示具有超透氣膜的保護性紡織品。盡管碳納米管的孔隙隻有幾納米寬，但這些膜提供的水蒸氣傳輸速率超過了像GoreTex這樣的商用透氣織物。
至關重要的是，由於它們的孔隙尺寸非常小，小於5納米寬，因此它們還提供了免受生物製劑侵害的保護。細菌或病毒等生物威脅要大得多，通常超過10納米大小。
為了使這些膜也能免受尺寸小得多的化學劑的影響，研究人員用化學威脅反應官能團修飾了碳納米管表麵。這些功能群將感知並阻止威脅，就像毛孔入口的守門人一樣(閱讀更多:““第二層皮膚”保護士兵免受生物和化學製劑的傷害”)。