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读书报告之碳纳米管的研究进展
碳纳米管是1991年日本NEC公司基础研究实验室在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子C60时，意外发现的由管状同轴纳米管组成的碳分子。由于其独特的结构及优良的力学、电学和化学等性能，呈现出广阔的应用前景，吸引了材料、物理、电子、化学等领域众多科学家的极大关注，成为国际新材料研究的前沿和热点。
一．结构分析
碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层绕中心轴按一定的螺旋度卷成的无缝、中空的管体，管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽由含五边形的碳环组成的多边形结构，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）长径比大的一维纳米材料。石墨烯的片层可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管，多于两层的称为多壁碳纳米管，但是层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm。多壁碳纳米管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而管壁上通常布满小洞样的缺陷。单壁碳纳米管其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性，而且相对而言结构简单，理论上已有较深的研究。
碳纳米管中每个碳原子和相邻的3个碳原子相连，形成六角形网格结构，因此碳纳米管中的碳原子以sp2杂化为主，但碳纳米管中六角形网格结构会产生一定的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，所以它是以sp2杂化为主，也含有一定的sp3杂化。它有较大的离域电子体系，但是又因在碳纳米管内的电子的量子限域所致，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，故碳纳米管表现出独特的电学性能。实验发现根据其直径和螺旋度的不同，它既可以表现出金属性又可以表现出半导体性。而且在碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射出大量的电子，因此其呈现出优良的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。
二．合成途径
我们一般采用化学气相沉积技术制备碳纳米管，主要有电弧放电法、激光蒸发法和催化热解法等，其中催化热解法由于具有反应过程易于控制、适用性强、制备方法简便、产品纯度高等优点，而被广泛应用于制备碳纳米管。
催化热解法就是热解易分解的有机物碳源产生碳原子，在催化剂颗粒上被催化生长成碳纳米管。催化剂一般使用过渡金属元素Fe、Co、Ni或其组合，有时也添加稀土等其他元素及化合物。合成方法包括制作催化剂图案、合理地设计衬底以增强催化剂-衬底间的相互作用，以及控制催化剂颗粒的大小等具体内容。衬底是在HF/甲醇溶液中电化学腐蚀硅片得到的多孔硅，如此处理过的衬底表面将形成纳米多孔薄层。然后通过掩膜蒸镀5nm厚的铁膜得到多孔硅衬底上的催化剂方形阵列，将该衬底置于直径为2英寸的管式炉中，在700度温度下通入流量为1000cm3/min（标准状态）的乙烯气流15-60min进行生长。
三．性能及应用
碳纳米管尺寸尽管是头发丝的十万分之一，但它的电导率却是铜的一万倍，它的强度是钢的一百倍，而重量只有钢的七分之一。它像金刚石一样坚硬，却有柔韧性，可以拉伸，而且熔点是已知材料中最高的。由于其自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。
在电子方面，碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射大量的电子，而且还具有极好的化学稳定性和机械强度，是一种优良的场致发射材料，可用于制作平面显示装置，取代体积大、质量重、低效的阴极电子管。日本、韩国及中国的东南大学已经利用其电子方面的优势开发出来新产品并且投入了市场。还可将其应用于超级电容器、晶体管集成电路等领域。
在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。碳纳米管复合材料是碳纳米管应用研究的一个重要方向。
碳纳米管复合材料不仅可以利用其力学性能来制备增强复合材料，而且还可以利用其导电特性等其他性能来制备功能复合材料。
由于碳纳米管具有极好的力学性能，因此可将其用作复合材料的增强体，首先作为金属的增强材料可以提高金属的强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性；其次作为高分子聚合物的增强材料，可以性能优化；还可以作为陶瓷的增强相，提高陶瓷的强度及韧性。
利用碳纳米管具有极好的导电特性、电致发光等其他性能，可制备功能复合材料。将碳纳米管掺入材料体系中，可以提高电导率，防静电系数也得到了增强，有望应用于汽车的本体上。而且将经化学修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺
制碳纳米管复合纤维，其不仅具有导电或抗静电性，还具有高的强度和模量，该类复合纤维可望应用于轻便且刀枪不入的装甲和防弹背心或服装材料。
碳纳米管是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可以从月球挂到地球表面而不会被自身重力拉折的绳索，如果用它做成地球-月球载人电梯，人们来往月球和地球就方便了。
在军事方面，利用它对波的吸收、折射率高，将其作为隐身材料广泛应用于隐身飞机和超音速飞机，又因为其重量轻、兼容性好、吸波频带宽等特点，是新一代最具发展潜力的吸波材料。
在清洁能源利用方面，碳纳米管由于具有独特的纳米级尺寸、中空结构和更大的比表面积等特点，使其成为最有潜力的储氢材料。研究发现，重约500mg的单壁碳纳米管室温储氢量可达4.2wt％，并且78.3％的储存氢在常温下可释放出来，剩余的氢加热后也可释放出来，而且这种单壁碳纳米管可重复利用。这就大大推进了氢能源的开发和使用，有望推进氢能燃料电池汽车的实现。
碳纳米管药物载体应用方面也取得了很大的进展，由于其功能化程序简单，能很容易接枝生物大分子；并且能够通过吞胞作用等其他机制进入细胞内部，生物毒性低；比表面积大能够提高载药量等，在抗癌药的载体应用上空间很大。
它还可以制成特殊的吸附剂，在环境保护领域中有较大的应用前景等。 四．未来及展望
尽管各国在碳纳米管领域都取得了一定的成绩，但是我们仍面临着一些应用难题。比如如何实现高质量的碳纳米管的高产量工业化生产，因为在合成过程中影响因素有很多，一般得到的产品都具有杂质高，产量低的缺点。而且我们还不能实现对纳米管结构的调节和控制等。我们还必须探索其更广阔更深入的发展空间。