固体碳的新形态——碳纳米管

随着C60及富勒烯化合物的合成，寻找碳可能存在的同素异形体业已成为人们关注的焦点，1991年，日本科学家饭岛（Iijima）发现了一种针状的管形碳单质——碳纳米管。1992年Ebbesn等提出了实验室规模合成碳纳米管的方法。宏观量碳纳米管的合成和提纯，给碳纳米管化学性质的研究提供了可能性。此后，许多国家的科学家投入大量的精力对碳纳米管的制备、性质、应用进行了一系列的研究，并取得了可喜的成果。
　　
　　1．结构
　　
　　碳纳米管，又名巴基管，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）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管（图1）。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20nm。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的，而是保持一定距离，Ruff等用Jarrel-Ash扫描显微光度计精确测量了两根非常接近的碳纳米管间的距离。
　　
　　（图1）
　　
　　2．碳纳米管的制备
　　
　　目前，大量的碳纳米管主要采用以下方法来制备：
　　
　　(1)电弧法
　　
　　其原理为石墨电极在电弧产生的高温下蒸发，在阴极沉积出纳米管。这种方法具有简单快速的特点，到目前为止，仍不失为一种好的制备方法。Colbert等认为该法所产生的碳纳米管缺陷较多，究其原因是电弧温度高达3000~70000C，形成的碳纳米管被烧结于一体，造成较多的缺陷。所以他们把一般阴极（大石墨电极）改成一个可以冷却的铜电极，再在上面接石墨电极（图2），这样产物的形貌和结构大为改观，使电弧法再次焕发了青春。
　　
　　（图2）
　　
　　（2）气相热解法该法的产率较高，但含管状结构的产物比例不高，管径不整齐，形状不规则，且在制备过程中必须使用催化剂。
　　
　　（3）固相热解法固相热解法是采用常规固相热解含碳亚稳固体生长碳纳米管的新的方法。本法具有过程稳定、不需催化剂、原位生长等多种优点，但因为受原料的限制，使其生产不能上规模和连续化。
　　
　　（4）离子或激光溅射法此法易于连续生产，但由于设备上的原因，限制了它的规模。
　　
　　3．单层碳纳米管的发现
　　
　　为了检测碳纳米管的电子结构和机械强度，人们希望得到具有较好的形貌，长度较长，厚度较薄，嵌套层数较少的碳纳米管。虽然通常采用电弧法合成的碳纳米管多为多层结构，但在进行碳纳米管的有关计算时，人们最为关注的却是单层碳纳米管。1993年，日本NEC公司在Iijima和美国的IBM公司的Bethune研究组几乎同时发现了单层碳纳米管的合成。Iijima在通常的电弧放电反应器中，充入总压力为1.33×104Pa的甲烷与氩气，阴极碳电极的一部分换成铁，铁与碳同时蒸发则得单层碳纳米管。Bethune等则在电弧放电法制备碳纳米管过程中，发现存在有直径1~2nm的单层碳纳米管。日本三重大学的Saito用镍或稀土元素充填阴极棒，合成了现有报道中最小尺寸的碳纳米管，它们的平均直径大约为1nm，最小直径为0.7nm。应该注意的是，用上述方法制得的单层碳纳米管，不是存在于阴极堆积物中，而是在含有大量金属碳化物飞散的碳黑中。由此可知，单层碳纳米管是在Fe、Co、Ni、稀土元素等金属催化下于气相中生成的，这一点与在惰性气氛中生成富勒烯十分相似。
　　
　　4．碳纳米管的应用
　　
　　碳纳米管具有与富勒烯分子相似的性质（其端面有碳五元环的存在）。由于它独特的电子结构及物理化学特性，它在各个领域中的应用已引起各国科学家的普遍关注。
　　
　　（1）高强度碳纤维材料决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。目前材料材料工程师希望得到的长度直径比至少是20∶1。然而，即使在现在能得到的以纳米计算的长度中，纳米管的长度也是直径的几千倍，因而号称“超级纤维”。它们的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。它们非常

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