碳納米管——它們是什麼，它們是如何製造的，它們有什麼用途
什麼是碳納米管?
碳納米管(CNTs)是由單層碳原子(石墨烯)卷片組成的圓柱形分子。它們可以是直徑小於1納米(SWCNT)的單壁(SWCNT)，也可以是由多個同心相連的納米管(直徑超過100納米)組成的多壁(MWCNT)。它們的長度可以達到幾微米甚至幾毫米。
這個紫色的結構是人類頭發碎片，直徑約為8萬到10萬納米，背景是單壁碳納米管網絡。(圖片: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)，碳納米管與sp進行化學結合2鍵，一種分子相互作用的極強形式。
這一特性與碳納米管通過範德華力的自然傾向結合在一起，為開發超高強度、低重量、具有高導電性和熱學性能的材料提供了機會。這使得它們對許多應用程序具有極大的吸引力。
碳同素異形體
碳是宇宙中含量第四多的元素，根據碳原子的排列，它有各種各樣的形式，稱為同素異形體．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，人們發現了第三種和新的碳同素異形體的存在，它包含60個完全對稱排列的碳原子(也稱為碳原子)60富勒烯或巴基球)意味著一項重大突破，開辟了碳納米化學的新領域。1991年，碳納米管被發現，石墨烯在2004年被發現。
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)決定了納米管的電性能。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——因其邊緣呈扶手椅狀而得名——具有相同的手性指數，並因其完美的導電性而備受青睞。他們是不同的鋸齒形納米管，可能是半導體。將石墨烯薄片旋轉僅僅30度，就會使其形成的納米管從扶手椅狀變成之字形，反之亦然。
雖然多壁碳納米管總是具有導電性，並至少達到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:它們可以像金屬一樣具有導電性;顯示半導體的特性;或者是不導電的。例如，螺旋度間距的輕微變化就能將金屬管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學性質外，碳納米管還具有獨特的熱和機械性質，這使得它們對開發新材料非常有吸引力:
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、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(CNFs)。cnf通常長幾微米，直徑約200納米。幾十年來，碳纖維一直被用於增強化合物，但它們沒有碳納米管相同的晶格結構。相反，它們是由幾種形式的碳和/或幾層石墨的組合而成的，這些石墨以不同的角度堆積在無定形碳上(在無定形碳上原子不按有序結構排列)。CNFs具有與CNTs相似的性能，但由於其結構多變且內部非空心，抗拉強度較低。
首先，你可以看這五個關於碳納米管的短視頻:
誰發現了碳納米管?
每年都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)報告了多壁碳納米管的發現。
粗略地瀏覽一下科學文獻，你可能會得到這樣的印象:飯島是碳納米管事實上的發現者。當然，毫無疑問，他對該領域做出了兩個開創性的貢獻，然而，對文獻的仔細分析表明，他當然不是第一個報告CNTs存在的人。
雜誌上的社論碳（“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澄清事實。通過深入研究碳納米管的曆史，很明顯，碳納米管的起源在本質上甚至可能是史前的碳納米管的誕生和早期曆史．
碳納米管是如何製成的?
目前有三種主要的生產碳納米管的方法: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，並分離在氣相中形成的碳納米管。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，因為它允許在更容易控製的條件下以更低的成本生產大量的CNTs。在CVD過程中，製造商可以將金屬催化劑(如鐵)與含碳反應氣體(如氫氣或一氧化碳)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，納米管直徑隻有碳納米管大小的二次催化劑顆粒在其上生長。催化劑顆粒在新形成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、曲棍球杆、高爾夫球杆及球、滑雪板、皮艇;運動箭頭)
遊艇(桅杆、船殼和帆船的其他部分)
紡織品(防靜電及導電紡織品(“智能紡織品”);防彈背心、防水阻燃紡織品)
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的塗層，工業機械臂)
以靜電電荷保護為例，研究人員已經研製出一種導電而靈活的保護方法專門用於空間應用的碳納米管薄膜)和碳納米管納米泡沫和氣凝膠的輻射屏蔽。
碳納米管織物在受控彈道測試中攔截了9毫米子彈。這種材料的厚度大致相當於6張疊在一起的名片的厚度。(來源:Nanocomp技術)
碳納米管催化劑在宏觀循環中通過封裝的正負調控。(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:亞倫·斯科特，南伊利諾伊大學)
用單壁碳納米管製作的柔性氫傳感器的例子。(圖片:孫博士/阿貢)
CVD過程可以是純催化的或等離子體支持的。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”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，但含有金屬包裹的納米顆粒、碳納米管尖端的金屬顆粒和非晶碳等雜質的副產物的形成是不可避免的現象，因為金屬納米顆粒對納米管的生長是必不可少的。
這些外來的納米粒子，以及合成過程中出現的結構缺陷，有一個不幸的影響，即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各種方法的幫助下提純，如酸處理或超聲波在生產過程的最後。
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。碳納米管在市場上以粉末的形式出售，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殊的特性，它們需要被解開並均勻地分布在襯底中。
另一個要求是碳納米管需要與基板(例如塑料材料)進行化學結合。為此，碳納米管進行了功能化處理，即其表麵經過化學調整，以最佳地融入到不同的材料中，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帶來了有趣的可能性，而且可能有助於實現一個特別烏托邦的項目——納米管太空電梯．
材料
由於碳納米管納米複合材料具有導電性、抗拉強度、熱偏轉溫度和阻燃性等力學、電學、熱學、阻隔性和化學性質，作為傳統複合材料的一種極具吸引力的替代材料，受到了廣泛關注。
這些材料承諾提供增加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減少高達30%的飛機和航天器的重量。
這些複合材料已經在
催化
碳納米管在催化方麵如此具有吸引力的原因是其異常高的表麵積，以及基本上可以將任何化學物質附著在其側壁上的能力。碳納米管已被用於許多相關的化學過程中作為催化劑，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的結構發生了變化，因此其性質也發生了變化。
這類似於用圖釘把廣告釘在柱子上:工會很強大，但它在廣告和柱子上都留下了一個洞。弱的非共價力也被使用，它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，比較是將廣告粘在柱子上。廣告和郵件都沒有受到損害，但工會卻弱多了。
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，這是第一個例子機械連鎖碳納米管(MINTs)．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、超規模和薄膜晶體管的有力候選者，以及取代矽電子器件的光電器件(閱讀更多:“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是否能在10納米以下的長度上比矽晶體管提供性能優勢。
關於碳納米管晶體管能否在極長尺寸的情況下保持其令人印象深刻的性能，納米電子學學界意見不一。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在這種尺寸下探索納米管器件的理論研究的支持。
與此同時，另一些人仍然相信，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能獲得優異的晶體管性能。
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有許多挑戰。
傳感器
的集團通過展示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，Dekker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，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為敏感。
大多數基於碳納米管的傳感器是場效應晶體管(FET)——盡管碳納米管是堅固的惰性結構，但其電學性能對電荷轉移和各種分子的化學摻雜的影響極為敏感。碳納米管- fet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分子識別功能碳納米管與目標分析物之間的相互作用。
例如，研究人員已經開發出靈活的氫氣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具有吸引力，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:印刷電子應用的導電納米材料”)。
電極
碳納米管作為電極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，加上優異的電學性能，已成為電極表麵分子工程的重要材料，其中開發具有區域特異性電子轉移能力的電化學器件是至關重要的。
顯示
由於碳納米管具有高導電性和尖端驚人的銳度(尖端的曲率半徑越小，電場越集中，場發射越高)，因此被認為是最有前途的場發射材料，一個實際的例子是作為場發射顯示器(FED)電子發射器的碳納米管。
場發射顯示(FED)技術使新型大麵積、高分辨率、低成本平板顯示器成為可能。然而，FED製造要求碳納米管生長在精確的尺寸和密度。高度、直徑和尖端銳度影響電壓，而密度影響電流。
Buckypapers
buckpaper的用法:作為已知的最導熱材料之一，buckpaper可以開發出更高效的芯片散熱器;一種更節能、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，因其具有極高的載流能力;或可切換的表麵(見:可轉換表麵用納米技術論文）.
光電子和光子應用
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，一束毫米長的對齊的多壁碳納米管通過電流加熱發出偏振白熾燈，而swcnts束與傳統鎢絲相比，在較低電壓下發出更高的亮度發射。
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。
人們對將碳納米管用於各種生物醫學應用非常感興趣。碳納米管的物理性能，如機械強度、導電性和光學性能，對製備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(如官能團、分子和聚合物)，從而賦予適合於生物應用的特性，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(納米顆粒塞碳納米管作為藥物運載工具）.
然而，碳納米管的細胞毒性問題是一個已經吸引了大量研究興趣的領域，但尚未產生確定的答案。鑒於這些納米毒理學研究的不確定狀態，研究人員說，為了確定其精確的藥代動力學、細胞毒性和最佳劑量，有必要對具有各種化學和物理特性的CNTs進行更係統的生物學評價。
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，在開口小於一納米的碳納米管中，水的運輸是有效的。
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。它的流動速度是較寬碳納米管中的10倍，是最好的生物膜(一種叫做水通道蛋白的蛋白質)中的6倍。過濾水比大自然好”)。
碳納米管還被用於展示具有超透氣膜的防護紡織品。盡管碳納米管的孔隙隻有幾納米寬，但這種膜提供的水蒸氣輸送速度超過了像GoreTex這樣的商用透氣織物。
最重要的是，由於它們的孔隙非常小，不到5納米寬，因此它們也可以提供保護，免受生物製劑的傷害。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化學劑的傷害，研究人員用化學威脅反應官能團修飾了碳納米管表麵。這些官能團會感知並阻止威脅，就像毛孔入口的守門人一樣。“第二層皮膚”保護士兵免受生物和化學毒劑的傷害”)。