碳納米管:個性十足的神奇材料

　　碳納米管：個性十足的神奇材料

　　第二看臺

　　本報記者 吳長鋒

　　近日，中國科學技術大學化學與材料學院杜平武教授課題組，首次利用納米管稠環封端「帽子」模板，構建出縱向切割的納米管彎曲片段。這種通過三個彎曲型分子連接兩個石墨烯單元的方法，可直接得到納米籠狀結構，為構建封端鋸齒型碳納米管提供了新思路。相關研究成果發表在最新一期《德國應用化學》上。

　　無獨有偶。幾乎在同時，以研製出世界上第一顆原子彈而聞名於世的洛斯阿拉莫斯實驗室的研究人員，使用功能化碳納米管生產出首個能在室溫下使用通信波長發射單光子的碳納米管材料。神奇材料碳納米管，為何如此受各國科學家追捧？

　　空間結構像「挖空的足球」

　　1985年，「足球」結構的C60一經發現即吸引了全世界的目光。將「足球」挖空，保持表面的五角和六角網格結構，再沿著一個方向擴展六角網格，並賦予平面網格以碳—碳原子和共價鍵，就形成了具有中空圓柱狀結構的碳納米管。

　　碳納米管是一種具有特殊結構的一維量子材料。其主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管，層與層之間保持固定的距離，約0.34納米，直徑一般為2—20納米。

　　「可以將碳納米管聯想為頭髮絲，而實際上它的直徑只有頭髮絲的幾萬分之一，即幾萬根碳納米管並排起來才與一根頭髮絲相當。」杜平武教授告訴科技日報記者，作為典型的一維納米結構，單層碳原子和多層碳原子網格捲曲而成的單壁與多壁碳納米管，直徑通常為0.8—2納米和5—20納米，目前報導的最細碳納米管直徑可小至0.4納米。

　　杜平武告訴記者，碳納米管可以看做是石墨烯片層捲曲而成，因此按照石墨烯片的層數可分為：單壁碳納米管和多壁碳納米管。若依其結構特徵，碳納米管則可分為扶手椅形納米管和鋸齒形納米管等幾種類型。

　　製備方法是挑戰

　　「通常的碳納米管制備方法主要有電弧放電法、雷射燒蝕法、化學氣相沉積法、固相熱解法、輝光放電法、氣體燃燒法以及聚合反應合成法等。」杜平武告訴記者，電弧放電法是生產碳納米管的主要方法。1991年日本物理學家飯島澄男就是從電弧放電法生產的碳纖維中首次發現的碳納米管。「這種方法比較簡單，但很難得到純度較高的碳納米管，並且得到的往往都是多層碳納米管，而實際研究中人們往往需要的是單層碳納米管。」

　　「隨後科研人員又發展出了化學氣相沉積法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷，得到的碳納米管純度比較高，但管徑不整齊，形狀不規則。」杜平武說，後續逐步發展起來的固相熱解法等，均受限於環境和條件。

　　「碳納米管的製備過程與有機合成反應類似，其副反應複雜多樣，很難保證同一爐碳納米管均為扶手椅形納米管或鋸齒形納米管。」杜平武說，在強酸、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，而延伸後所得的碳納米管與模板的捲曲方式相同。

　　「如果通過類似於DNA擴增的方式對碳納米管進行增殖，那麼只需找到少量的扶手椅形納米管或鋸齒形納米管，便可在短時間內複製、擴增出數量幾百萬倍於模板數量的、同類型的碳納米管。」杜平武說，這可能會成為製備高純度碳納米管的新方式。

　　性能及尺寸超越矽基材料

　　「碳納米管具有完美的一維管式結構，碳原子以碳—碳共價鍵結合，形成自然界中最強的化學鍵之一，因此軸向具有很高的強度和韌性。此外六角平面蜂窩結構圍成的管壁側面沒有懸掛鍵，所以碳納米管具有穩定的化學特性。」杜平武說，碳納米管優異的性能表現在電學、熱學和光學等方面，具有超越傳統的導電、導熱特性等等。

　　2013年，史丹福大學科學家製備了由平行排列的單壁碳納米管為主要元器件的世界上最小「計算機」。近兩年，碳納米管電子器件的性能及尺寸又一次次被突破，勢在超越並最終取代目前商用的矽基器件。

　　碳納米管還可以製成透明導電的薄膜，用作觸控螢幕的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氫氣體，不受稀有礦產資源的限制。碳納米管觸控螢幕具有柔性、抗幹擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴裝置、智能家具等領域得到應用。

　　碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現象的最細毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應的最細試管，科學家甚至研製出能稱量單個原子的「納米秤」。「我國在碳納米管材料的基礎研究方面處於領先地位，結構均一性的控制方法和理論不斷創新，控制指標也逐年刷新。」杜平武說。