碳納米管（具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料）
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碳納米管
具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料
碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2～20nm。碳納米管不總是筆直的，而是局部區(qū)域出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，這是由于在六邊形編織過(guò)程中出現(xiàn)了五邊形和七邊形。除六邊形外，五邊形和七邊形在碳納米管中也扮演重要角色。根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒(méi)有手性。
碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。
基本信息
| 中文名 | 碳納米管 |
| 外文名 | carbon nanotubes |
| 顏色 | 黑色 |
| 蒸汽壓力 | 未確定 |
| 氣味 | 無(wú)味 |
展開(kāi)
發(fā)現(xiàn)歷史
1985 年，“足球”結(jié)構(gòu)的C60一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即吸引了全世界的目光，Kroto H. W.、Smalley R. E.、和Curl R. F.亦因共同發(fā)現(xiàn)C60并確認(rèn)和證實(shí)其結(jié)構(gòu)而獲得1996 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在富勒烯研究推動(dòng)下，1991 年一種更加奇特的碳結(jié)構(gòu)——碳納米管被日本電子公司（NEC）的飯島博士發(fā)現(xiàn)。
碳納米管在1991 年被正式認(rèn)識(shí)并命名之前，已經(jīng)在一些研究中發(fā)現(xiàn)并制造出來(lái)，只是當(dāng)時(shí)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到它是一種新的重要的碳的形態(tài)。1890 年人們就發(fā)現(xiàn)含碳?xì)怏w在熱的表面上能分解形成絲狀碳。1953 年在CO 和Fe3O4在高溫反應(yīng)時(shí)，也曾發(fā)現(xiàn)過(guò)類似碳納米管的絲狀結(jié)構(gòu)。從20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始，石油化工廠和冷核反應(yīng)堆的積炭問(wèn)題，也就是碳絲堆積的問(wèn)題，逐步引起重視，為了抑制其生長(zhǎng)，開(kāi)展了不少有關(guān)其生長(zhǎng)機(jī)理的研究。這些用有機(jī)物催化熱解的辦法得到的碳絲中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有類似碳納米管的結(jié)構(gòu)。在20 世紀(jì)70 年代末，新西蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)石墨電極間通電產(chǎn)生電火花時(shí)，電極表面生成小纖維簇，進(jìn)行了電子衍射測(cè)定發(fā)現(xiàn)其壁是由類石墨排列的碳組成，實(shí)際上已經(jīng)觀察到多壁碳納米管。
碳納米管
結(jié)構(gòu)特征
碳納米管中碳原子以sp雜化為主，同時(shí)六角型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在一定程度的彎曲，形成空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中可形成一定的sp雜化鍵，即形成的化學(xué)鍵同時(shí)具有sp和sp混合雜化狀態(tài)，而這些p 軌道彼此交疊在碳納米管石墨烯片層外形成高度離域化的大π 鍵，碳納米管外表面的大π 鍵是碳納米管與一些具有共軛性能的大分子以非共價(jià)鍵復(fù)合的化學(xué)基礎(chǔ)。
對(duì)多壁碳納米管的光電子能譜研究結(jié)果表明，不論單壁碳納米管還是多壁碳納米管，其表面都結(jié)合有一定的官能基團(tuán)，而且不同制備方法獲得的碳納米管由于制備方法各異，后處理過(guò)程不同而具有不同的表面結(jié)構(gòu)。一般來(lái)講，單壁碳納米管具有較高的化學(xué)惰性，其表面要純凈一些，而多壁碳納米管表面要活潑得多，結(jié)合有大量的表面基團(tuán)，如羧基等。以變角X 光電子能譜對(duì)碳納米管的表面檢測(cè)結(jié)果表明，單壁碳納米管表面具有化學(xué)惰性，化學(xué)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且隨著碳納米管管壁層數(shù)的增加，缺陷和化學(xué)反應(yīng)性增強(qiáng)，表面化學(xué)結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化。內(nèi)層碳原子的化學(xué)結(jié)構(gòu)比較單一，外層碳原子的化學(xué)組成比較復(fù)雜，而且外層碳原子上往往沉積有大量的無(wú)定形碳。由于具有物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的不均勻性，碳納米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微環(huán)境，因此也具有能量的不均一性。
碳納米管不總是筆直的，而是局部區(qū)域出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，這是由于在六邊形編制過(guò)程中出現(xiàn)了五邊形和七邊形。如果五邊形正好出現(xiàn)在碳納米管的頂端，即形成碳納米管的封口。當(dāng)出現(xiàn)七邊形時(shí)納米管則凹進(jìn)。這些拓?fù)淙毕菘筛淖兲技{米管的螺旋結(jié)構(gòu)，在出現(xiàn)缺陷附近的電子能帶結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變。另外，兩根毗鄰的碳納米管也不是直接粘在一起的，而是保持一定的距離。
分類
碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為：?jiǎn)伪谔技{米管（或稱單層碳納米管，Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳納米管（或多層碳納米管，Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs），多壁管在開(kāi)始形成的時(shí)候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常布滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。單壁管典型直徑在0.6-2nm，多壁管最內(nèi)層可達(dá)0.4nm，最粗可達(dá)數(shù)百納米，但典型管徑為2-100nm。
碳納米管依其結(jié)構(gòu)特征可以分為三種類型：扶手椅形納米管（armchair form），鋸齒形納米管（zigzag form）和手性納米管（chiral form）。碳納米管的手性指數(shù)（n，m）與其螺旋度和電學(xué)性能等有直接關(guān)系，習(xí)慣上n>=m。當(dāng)n=m時(shí)，碳納米管稱為扶手椅形納米管，手性角（螺旋角）為30；當(dāng)n>m=0時(shí)，碳納米管稱為鋸齒形納米管，手性角（螺旋角）為0；當(dāng)n>m≠0時(shí)，將其稱為手性碳納米管。
根據(jù)碳納米管的導(dǎo)電性質(zhì)可以將其分為金屬型碳納米管和半導(dǎo)體型碳納米管：當(dāng)n-m=3k(k為整數(shù))時(shí)，碳納米管為金屬型；當(dāng)n-m=3k±1，碳納米管為半導(dǎo)體型。
按照是否含有管壁缺陷可以分為：完善碳納米管和含缺陷碳納米管。
按照外形的均勻性和整體形態(tài)，可分為：直管型，碳納米管束，Y型，蛇型等。
關(guān)于管壁缺陷對(duì)碳納米管力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律也值得引起關(guān)注，這也將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)碳納米管及其復(fù)合材料。由于碳納米管制造工藝的限制，碳納米管中含有大量的各種缺陷，如原子空位缺陷(單原子或多原子空位)和Stone-Thrower-Wales (STW)型缺陷等。見(jiàn)下圖。
性質(zhì)
力學(xué)
由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量和高強(qiáng)度。
碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa,是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)；它的彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。對(duì)于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約800GPa。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料, 可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來(lái)極大的改善。
碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。在工業(yè)上常用的增強(qiáng)型纖維中，決定強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵因素是長(zhǎng)徑比，即長(zhǎng)度和直徑之比。材料工程師希望得到的長(zhǎng)徑比至少是20:1，而碳納米管的長(zhǎng)徑比一般在1000:1以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料。2000年10月，美國(guó)賓州州立大學(xué)的研究人員稱，碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級(jí)纖維”。
莫斯科大學(xué)的研究人員曾將碳納米管置于1011 MPa的水壓下（相當(dāng)于水下10000米深的壓強(qiáng)），由于巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性。這啟示人們可以利用碳納米管制造輕薄的彈簧，用在汽車、火車上作為減震裝置，能夠大大減輕重量。
此外，碳納米管的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。
導(dǎo)電
碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6nm時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。有報(bào)道說(shuō)Huang通過(guò)計(jì)算認(rèn)為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1.5×10-4K，但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
傳熱
碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善。
其他
碳納米管還具有光學(xué)等其他良好的性能。
制備
電弧放電法
電弧放電法是生產(chǎn)碳納米管的主要方法。1991年日本物理學(xué)家飯島澄男就是從電弧放電法生產(chǎn)的碳纖維中首次發(fā)現(xiàn)碳納米管的。電弧放電法的具體過(guò)程是：將石墨電極置于充滿氦氣或氬氣的反應(yīng)容器中，在兩極之間激發(fā)出電弧，此時(shí)溫度可以達(dá)到4000度左右。在這種條件下，石墨會(huì)蒸發(fā)，生成的產(chǎn)物有富勒烯（C60）、無(wú)定型碳和單壁或多壁的碳納米管。通過(guò)控制催化劑和容器中的氫氣含量，可以調(diào)節(jié)幾種產(chǎn)物的相對(duì)產(chǎn)量。使用這一方法制備碳納米管技術(shù)上比較簡(jiǎn)單，但是生成的碳納米管與C60等產(chǎn)物混雜在一起，很難得到純度較高的碳納米管，并且得到的往往都是多層碳納米管，而實(shí)際研究中人們往往需要的是單層的碳納米管。此外該方法反應(yīng)消耗能量太大。有些研究人員發(fā)現(xiàn)，如果采用熔融的氯化鋰作為陽(yáng)極，可以有效地降低反應(yīng)中消耗的能量，產(chǎn)物純化也比較容易。
發(fā)展出了化學(xué)氣相沉積法，或稱為碳?xì)錃怏w熱解法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態(tài)烴通過(guò)附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態(tài)烴可以分解生成碳納米管。這種方法突出的優(yōu)點(diǎn)是殘余反應(yīng)物為氣體，可以離開(kāi)反應(yīng)體系，得到純度比較高的碳納米管，同時(shí)溫度亦不需要很高，相對(duì)而言節(jié)省了能量。但是制得的碳納米管管徑不整齊，形狀不規(guī)則，并且在制備過(guò)程中必須要用到催化劑。這種方法的主要研究方向是希望通過(guò)控制模板上催化劑的排列方式來(lái)控制生成的碳納米管的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。
固相熱解法
除此之外還有固相熱解法等方法。固相熱解法是令常規(guī)含碳亞穩(wěn)固體在高溫下熱解生長(zhǎng)碳納米管的新方法，這種方法過(guò)程比較穩(wěn)定，不需要催化劑，并且是原位生長(zhǎng)。但受到原料的限制，生產(chǎn)不能規(guī)?；瓦B續(xù)化。
離子或激光濺射法
另外還有離子或激光濺射法。此方法雖易于連續(xù)生產(chǎn)，但由于設(shè)備的原因限制了它的規(guī)模。
聚合反應(yīng)合成
在碳納米管制備方法中，聚合反應(yīng)合成法一般指利用模板復(fù)制擴(kuò)增的方法。
碳納米管的一般制備過(guò)程與有機(jī)合成反映類似，其副反應(yīng)復(fù)雜多樣，很難保證同一爐碳納米管均為扶手椅式納米管或鋸齒形納米管。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)酸、超聲波作用下，碳納米管可以先斷裂為幾段，再在一定納米尺度催化劑顆粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳納米管與模板的卷曲方式相同。
于是科學(xué)家設(shè)想，如果通過(guò)這種類似于DNA擴(kuò)增的方式對(duì)碳納米管進(jìn)行增殖，那么只需找到少量的扶手椅式納米管或鋸齒形納米管，便可在短時(shí)間內(nèi)復(fù)制、擴(kuò)增出數(shù)量幾百萬(wàn)倍于模板數(shù)量的、同類型的碳納米管。這可能會(huì)成為制備高純度碳納米管的新方式。
催化裂解法
催化裂解法是在600~1000℃的溫度及催化劑的作用下，使含碳?xì)怏w原料（如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等）分解來(lái)制備碳納米管的一種方法。此方法在較高溫度下使含碳化合物裂解為碳原子，碳原子在過(guò)渡金屬-催化劑作用下，附著在催化劑微粒表面上形成為碳納米管。催化裂解法中所使用的催化劑活性組分多為第八族過(guò)渡金屬或其合金，少量加入Cu、Zn、Mg等可調(diào)節(jié)活性金屬能量狀態(tài)，改變其化學(xué)吸附與分解含碳?xì)怏w的能力。催化劑前體對(duì)形成金屬單質(zhì)的活性有影響，金屬氧化物、硫化物、碳化物及有機(jī)金屬化合物也被使用過(guò)。
健康影響
對(duì)人的不利影響
眼睛接觸：可能引起眼睛不適。
皮膚接觸：2012年并不完全了解納米粒子從皮膚滲透是否會(huì)對(duì)人體會(huì)造成不良影響。然而，局部應(yīng)用原料單壁碳納米管到裸鼠體內(nèi)已經(jīng)證明造成皮膚過(guò)敏。在使用體外培養(yǎng)的人皮膚細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)顯示，這兩個(gè)單壁碳納米管和多壁碳納米管可以進(jìn)入細(xì)胞，造成親釋放，炎性細(xì)胞因子，氧化應(yīng)激，降低細(xì)胞生存能力。
食入：會(huì)刺激腸道，相關(guān)實(shí)驗(yàn)不足。
對(duì)水生生物的影響
2012年8月24日，美國(guó)密蘇里大學(xué)和美國(guó)地質(zhì)勘探局共同完成的研究顯示，碳納米管對(duì)某些水生生物是有毒的。碳納米管并不純是碳，用于其生產(chǎn)過(guò)程中的鎳、鉻和其他金屬會(huì)殘留下來(lái)成為雜質(zhì)。這些殘留的金屬和碳納米管能減緩某些種類水生生物的生長(zhǎng)率甚至導(dǎo)致死亡。密蘇里大學(xué)鄧寶林教授表示，在碳納米管未來(lái)發(fā)展前景問(wèn)題上，必須慎重和有準(zhǔn)備地進(jìn)行權(quán)衡。人們還沒(méi)有充分了解其對(duì)環(huán)境和人類健康的影響，應(yīng)防止它作為大規(guī)模生產(chǎn)材料進(jìn)入環(huán)境中。
應(yīng)用前景
碳納米管可以制成透明導(dǎo)電的薄膜，用以代替ITO（氧化銦錫）作為觸摸屏的材料。先前的技術(shù)中，科學(xué)家利用粉狀的碳納米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃襯底上，但是這樣的技術(shù)至今沒(méi)有進(jìn)入量產(chǎn)階段；目前可成功量產(chǎn)的是利用超順排碳納米管技術(shù)；該技術(shù)是從一超順排碳納米管陣列中直接抽出薄膜，鋪在襯底上做成透明導(dǎo)電膜，就像從棉條中抽出紗線一樣。該技術(shù)的核心－超順排碳納米管陣列是由北京清華-富士康納米中心于2002年率先發(fā)現(xiàn)的新材料。
碳納米管觸摸屏首次于2007~2008年間成功被開(kāi)發(fā)出，并由天津富納源創(chuàng)公司于2011年產(chǎn)業(yè)化，至今已有多款智慧型手機(jī)上使用碳納米管材料制成的觸摸屏。與現(xiàn)有的氧化銦錫（ITO）觸摸屏不同之處在于：氧化銦錫含有稀有金屬“銦”，碳納米管觸摸屏的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳?xì)錃怏w，不受稀有礦產(chǎn)資源的限制；其次，鋪膜方法做出的碳納米管膜具有導(dǎo)電異向性，就像天然內(nèi)置的圖形，不需要光刻、蝕刻和水洗的制程，節(jié)省大量水電的使用，較為環(huán)保節(jié)能。工程師更開(kāi)發(fā)出利用碳納米管導(dǎo)電異向性的定位技術(shù)，僅用一層碳納米管薄膜即可判斷觸摸點(diǎn)的X、Y座標(biāo)；碳納米管觸摸屏還具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以制做出曲面的觸摸屏，具有高度的潛力可應(yīng)用于穿戴式裝置、智慧家俱等產(chǎn)品。
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)、英國(guó)廣播公司2013年9月26日?qǐng)?bào)道，美國(guó)斯坦福大學(xué)的工程師在新一代電子設(shè)備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，首次采用碳納米管建造出計(jì)算機(jī)原型，比基于硅芯片模式的計(jì)算機(jī)更小、更快且更節(jié)能。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院電氣工程學(xué)院主任喬瓦尼·德·米凱利教授強(qiáng)調(diào)了這一世界性成就的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)貢獻(xiàn)：首先，將基于碳納米管電路的制造過(guò)程落實(shí)到位。其次，建立了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的電路，表明使用碳納米管計(jì)算是可行的。下一代芯片設(shè)計(jì)研究聯(lián)盟、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校納雷什教授評(píng)價(jià)道，雖然碳納米管計(jì)算機(jī)可能還需要數(shù)年時(shí)間才趨于成熟，但這一突破已經(jīng)凸顯未來(lái)碳納米管半導(dǎo)體以產(chǎn)業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的可能性。
氫氣被很多人視為未來(lái)的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲(chǔ)存又十分不方便。碳納米管自身重量輕，具有中空的結(jié)構(gòu)，可以作為儲(chǔ)存氫氣的優(yōu)良容器，儲(chǔ)存的氫氣密度甚至比液態(tài)或固態(tài)氫氣的密度還高。適當(dāng)加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來(lái)。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲(chǔ)氫容器。
在碳納米管的內(nèi)部可以填充金屬、氧化物等物質(zhì)，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質(zhì)灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細(xì)的納米尺度的導(dǎo)線，或者全新的一維材料，在未來(lái)的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導(dǎo)線。這樣利用碳納米管或者相關(guān)技術(shù)制備的微型導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來(lái)生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路。
利用碳納米管的性質(zhì)可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料。例如用碳納米管材料增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性好、耐腐蝕、屏蔽無(wú)線電波。使用水泥做基體的碳納米管復(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對(duì)環(huán)境造成影響。碳納米管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環(huán)的缺陷，增強(qiáng)了反應(yīng)活性，在高溫和其他物質(zhì)存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開(kāi)，形成一個(gè)管子，極易被金屬浸潤(rùn)、和金屬形成金屬基復(fù)合材料。這樣的材料強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強(qiáng)。
碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理最細(xì)的毛細(xì)管，給化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)最細(xì)的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動(dòng)頻率發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。隨后德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子的“納米秤”。
碳納米管分散劑介紹和使用建議
一、碳納米管分散技術(shù)三要素
二、分散劑用量推薦
三、碳納米管水分散劑（TNWDIS）概述
四、超聲波分散設(shè)備使用建議及分散實(shí)例
五、研磨分散設(shè)備使用建議
碳納米管分散技術(shù)三要素：分散介質(zhì)、分散劑和分散設(shè)備
1、分散介質(zhì)
（1）根據(jù)粘度不同，分散介質(zhì)分為高粘度、中粘度和低粘度三種。在低粘度介質(zhì)中，如水和有機(jī)溶劑，碳納米管易于分散。中粘度介質(zhì)如液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂、液態(tài)硅橡膠等，高粘度介質(zhì)如熔融態(tài)的塑料。
（2）此處介紹的碳納米管分散技術(shù)，針對(duì)中、低粘度分散介質(zhì)。
2、分散劑
（1）分散劑的選擇，與分散介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、極性、溶度參數(shù)等密切相關(guān)。
（2）分散劑的用量，與碳納米管比表面積和共價(jià)鍵修飾的功能基團(tuán)有關(guān)。
（3）水性介質(zhì)中，推薦使用TNWDIS。強(qiáng)極性有機(jī)溶劑中，如醇、DMF、NMP，推薦使用TNADIS。中等極性有機(jī)溶劑如酯類、液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂、液態(tài)硅橡膠，推薦使用TNEDIS 。
3、分散設(shè)備
（1）超聲波分散設(shè)備：非常適合實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、低粘度介質(zhì)分散碳納米管，用于中、高粘度介質(zhì)時(shí)會(huì)受到限制。
（2）研磨分散設(shè)備：適合大規(guī)模地分散碳納米管、中粘度介質(zhì)分散碳納米管。
（3）采用“先研磨分散、后超聲波分散”組合方法，可以高效、穩(wěn)定地分散碳納米管
分散劑用量推薦。
1、碳納米管比表面積與分散劑用量
我們?cè)噭┘?jí)碳納米管分為單壁管（外徑<2nm）和多壁管。多壁管根據(jù)外徑不同，分為TNM1（外徑50nm）。隨著外徑的增加，碳納米管的比表面積減小
TNWDIS推薦用量：?jiǎn)伪诠苤亓康?.5倍， TNM1 重量的1.0倍， TNM8 重量的0.2倍。其余用量參考調(diào)整
2、碳納米管功能化與分散劑用量
功能化后的碳納米管，更容易在水中分散。通常，碳納米管羧基功能化后，分散劑的用量可以減少50%
TNWDIS推薦用量：羧基化單壁管重量的1.5-1.8倍，羧基化TNM1 重量的0.5倍，羧基化TNM8 重量的0.1倍
3、對(duì)于TNADIS， TNM8 的推薦用量是重量的0.2倍。對(duì)于TNEDIS, TNM8 的推薦用量是重量的0.8倍
其余碳納米管分散劑用量可以參照調(diào)整
碳納米管水分散劑（TNWDIS）概述
2、含有芳香基團(tuán)，特別適合制備碳納米管水分散液。芳香基團(tuán)與碳納米管管壁親和性好，易于吸附在管壁
3、性能指標(biāo)
活性物質(zhì)含量：90%
水 分 含 量：10%
濁 點(diǎn)：68-70℃
碳納米管水分散劑（TNWDIS）結(jié)構(gòu)
文獻(xiàn)報(bào)道分散CNTs常用的三種表面活性劑
超聲波分散設(shè)備使用建議
1、超聲波粉碎機(jī)（tip型）和超聲波清洗機(jī)（bath型）都可以用于碳納米管分散
2、超聲波粉碎機(jī)發(fā)出的超聲波能量密度高（能量集中于變幅桿上而不是一個(gè)平面上）、頻率低，更適合碳納米管的分散。根據(jù)碳納米管分散液的量，選擇合適的超聲波粉碎機(jī)功率和變幅桿直徑
超聲波粉碎機(jī)制備分散液實(shí)例
1、目標(biāo)：制備100g多壁碳納米管TNM8 水分散液，碳納米管含量 2%
2、主要設(shè)備
（1）Scientz-ⅡD型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(國(guó)產(chǎn)) 。所用超聲變幅桿為Φ6，輸出功率選擇為60%，超聲開(kāi)時(shí)間為3s，超聲關(guān)時(shí)間也為3s，超聲總時(shí)間設(shè)置為5min
（2）SC-3614型低速離心機(jī) (國(guó)產(chǎn) )
（3）HCT-1微機(jī)差熱天平（國(guó)產(chǎn)）
操作步驟（1）
1、將0.40g分散劑TNWDIS 溶解于97.60g去離子水中。室溫下TNWDIS 溶解度小，可用水浴加熱輔助其溶解，但使用溫度不可超過(guò)其濁點(diǎn)溫度
2、加入2.00g碳納米管，攪拌，使碳納米管被分散劑水溶液完全潤(rùn)濕，而不是漂浮在水面上
3、開(kāi)始超聲。超聲過(guò)程中，分散液會(huì)發(fā)熱、起泡，因此建議超聲5min后，可將分散液取出靜置于冰水中冷卻、消泡，再繼續(xù)超聲
4、分散程度觀察。用玻璃棒沾取少量分散液滴加至清水中，觀察稀釋狀態(tài)。分散好的碳納米管，猶如一滴墨水落入水中，在水中迅速均勻擴(kuò)散開(kāi)，而未分散好的碳納米管，在水中會(huì)有黑色顆粒出現(xiàn)。累計(jì)超聲總時(shí)間為30min（即5min×6次）
5、超聲結(jié)束后，將分散液離心沉降，去除未分散開(kāi)的團(tuán)聚粒子。離心速率為2000r/min，離心時(shí)間為30min。經(jīng)過(guò)離心，分散液可以穩(wěn)定放置半年以上
6、離心結(jié)束后，將上層液體過(guò)300目濾布，得到最終的碳納米管分散液。烘干下層沉淀至恒重，記為G2。對(duì)沉淀進(jìn)行熱重分析，定義450℃時(shí)的熱失重率f（%）為沉淀中分散劑含量
7、分散液中碳納米管的實(shí)際含量（%）=2.00-（1-f）× G2
研磨分散設(shè)備使用建議
3.水介質(zhì)砂磨過(guò)程中，需要添加消泡劑來(lái)減少泡沫對(duì)分散效果的影響
發(fā)展史
在1991年日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島（Lijima）在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，這就是現(xiàn)在被稱作的“Carbon nanotube”，即碳納米管，又名巴基管。
1993年，S. Lijima等和D. S. Bethune等同時(shí)報(bào)道了采用電弧法，在石墨電極中添加一定的催化劑，可以得到僅僅具有一層管壁的碳納米管，即單壁碳納米管產(chǎn)物。
1997年，A. C. Dillon等報(bào)道了單壁碳納米管的中空管可儲(chǔ)存和穩(wěn)定氫分子，引起廣泛的關(guān)注。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算也相繼展開(kāi)。據(jù)推測(cè)，單壁碳納米管的儲(chǔ)氫量可達(dá)10%（質(zhì)量比）。此外，碳納米管還可以用來(lái)儲(chǔ)存甲烷等其他氣體。
碳納米管是無(wú)法用于儲(chǔ)氫的，主要問(wèn)題有兩個(gè)：一是假如作為容器進(jìn)行儲(chǔ)氫，則無(wú)法對(duì)其進(jìn)行可控的封閉和開(kāi)啟；二是假如用于氫氣吸附，則其吸附率不超過(guò)1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。1999年《SCIENCE》上有篇牛論"High H2uptake by alkali-doped carbon nanotubes under ambient pressure and moderate temperatures"說(shuō)可以用Li-doped CNT吸附高達(dá)20%的氫氣，第二年就被Ralph Yang給駁斥"Hydrogen storage by alkali-doped carbon nanotubes-revised"說(shuō)吸附的根本都是水。另一篇1997年《NATURE》上的牛論"Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes"更被大家批駁得體無(wú)完膚。在進(jìn)行了十幾年的研究后，最終NSF、DOE和GM得出結(jié)論說(shuō)用碳納米管來(lái)儲(chǔ)氫就是癡人說(shuō)夢(mèng)。它就不是用來(lái)干這個(gè)的，拜托大家還是饒了它吧。
能否控制單壁碳納米管的生長(zhǎng)？近二十余年來(lái)一直困擾著碳納米管研究領(lǐng)域的科學(xué)家們，能否找到控制方法也成為碳納米管應(yīng)用的瓶頸。日前，這道世界性難題被北京大學(xué)李彥教授研究團(tuán)隊(duì)攻克，該團(tuán)隊(duì)在全球首次提出單壁碳納米管生長(zhǎng)規(guī)律的控制方法，研究成果已于2014年6月26日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。
潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)
碳納米管由于其巨大的表面積和表面疏水性，對(duì)共存污染物尤其是有機(jī)污染物具有很強(qiáng)的吸附能力。碳納米管對(duì)污染物的吸附不僅會(huì)改變污染物的環(huán)境行為，也會(huì)影響自身的環(huán)境行為。因此，由于工程上的大量應(yīng)用而導(dǎo)致廣泛存在于環(huán)境中的碳納米管的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)被關(guān)注。
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