日本信州大學和三井物產下屬的ＣＮＲＩ子公司日前研制成功目前世界直徑最小的碳納米管，其直徑只有0.4納米。  

　　據《日本經濟新聞》報道，這種碳納米管由信州大學工學系遠藤守信領導的研究小組研究成功。此前世界上最細的碳納米管直徑為１至２納米。  

　　碳納米管作為一種性能特殊的新材料一直引人注目。由于其強度高，科學家希望將其作為樹膠添加劑，以增強樹膠的強度，但在技術上尚有難度。超細納米管的出現為解決上述問題提供了可能。日本研制的這一新納米管已經達到了超細的程度。如果摻入樹膠，這種納米管可在分子等級上與樹膠混合形成高強度樹膠，用于制作小型精密機械用樹膠齒輪，也可用于制作不易破損的輕型透明樹膠基片。  

　　為了能使這一技術實用化，研究人員計劃在二三年時間內開發出能夠批量生產超細納米管的技術。 

 

相關資料：

簡介
　　在1991年日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現在被稱作的“Carbon nanotube”，即碳納米管,又名巴基管。碳納米管具有典型的層狀中空結構特征,構成碳納米管的層片之間存在

一定的夾角碳納米管的管身是準圓管結構，并且大多數由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環微結構單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環組成的多邊形結構，或者稱為多邊錐形多壁結構。是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、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，約為0.34nm，直徑一般為2～2Onm。由于其獨特的結構，碳納米管的研究具有重大的理論意義和潛在的應用價值，如：其獨特的結構是理想的一維模型材料;巨大的長徑比使其有望用作堅韌的碳纖維，其強度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6;同時它還有望用作為分子導線，納米半導體材料，催化劑載體，分子吸收劑和近場發射材料等。科學家們還預測碳納米管將成為21世紀最有前途的納米材料，以碳納米管為材料的顯示器將是很薄的，可以像招貼畫那樣掛在墻上。韓國的三星電子公司已展示了從納米管發射電子轟擊屏幕的顯示屏，該公司估計兩年內碳納米管顯示屏將上市。雖然碳納米管的技術性能非常好，但因成本和其他因素其大規模推廣仍將會是一個長期的過程。目前，在各大學的物理系和像IBM那樣的公司都在制造碳納米管，每

克碳納米管的價格是100美元左右。我國對此項研究雖然起步較晚，但發展很快。目前碳納米化學方興未艾，內容豐富，前景誘人。通過對碳納米管的研究，必然帶動相應學科的發展。

分類
　　碳納米管按照石墨烯片的層數分類可分為：單壁碳納米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳納米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs），多壁管在開始形成的時候，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，單壁管是由單層圓柱型石墨層構成，其直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。

碳納米管的性能
　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。碳納米管比表面積研究是非常重要的，碳納米管比表面積檢測數據只有采用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的，國內目前有很多儀器只能做直接對比法的檢測，現在國內也被淘汰了。目前國內外比表面積測試統一采用多點BET法，國內外制定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的，請參看我國國家標準（GB/T 19587-2004）-氣體

吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法。比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間，如果測試過程沒有實現完全自動化，那測試人員就時刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會導致測試過程的失敗，這會浪費測試人員很多的寶貴時間。F-Sorb 2400比表面積測試儀是真正能夠實現BET法檢測功能的儀器（兼備直接對比法），更重要的F-Sorb 2400比表面積測試儀是迄今為止國內唯一完全自動化智能化的比表面積檢測設備，其測試結果與國際一致性很高，穩定性也很好，同時減少人為誤差，提高測試結果精確性。
　　力學性能
　　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、高強度。
　　碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規石墨纖維高一個數量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。對于具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似，但其結構卻比高分子材料穩定得多。碳納米管是目前可制備出的

具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復合材料, 可使復合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復合材料的性能帶來極大的改善。
　　碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學的研究人員稱，碳納米管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。
　　莫斯科大學的研究人員曾將碳納米管置于1011 Pa的水壓下(相當于水下18000米深的壓強)，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了形狀，表現出良好的韌性。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，碳納米管的熔點是目前已知材料中最高的。
　　導電性能
　　碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質。
　　碳納米管具有良好的導電性能

，由于碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs的管徑大于6nm時，導電性能下降；當管徑小于6nm時，CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。有報道說Huang通過計算認為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導性，盡管其超導轉變溫度只有1.5×10-4K，但是預示著碳納米管在超導領域的應用前景。
　　常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與碳納米管的導電性能密切相關。對于一個給定(n,m)的納米管，如果有2n+m=3q（q為整數），則這個方向上表現出金屬性，是良好的導體，否則表現為半導體。對于n=m的方向，碳納米管表現出良好的導電性，電導率通常可達銅的1萬倍。
　　傳熱性能
　　碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高，相對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導材料。另外，碳納米管有著較高的熱導率，只要在復合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該復合材料的熱導率將會可能得到很大的改善。
　　碳納米管還具有光學和儲氫等其他良好的性能

,正是這些優良的性質使得碳納米管被認為是理想的聚合物復合材料的增強材料。

碳納米管的制備
　　目前常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕法、化學氣相沉積法（碳氫氣體熱解法），固相熱解法、輝光放電法和氣體燃燒法等以及聚合反應合成法。
　　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碳納米管的。電弧放電法的具體過程是：將石墨電極置于充滿氦氣或氬氣的反應容器中，在兩極之間激發出電弧，此時溫度可以達到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發，生成的產物有富勒烯（C60）、無定型碳和單壁或多壁的碳納米管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量，可以調節幾種產物的相對產量。使用這一方法制備碳納米管技術上比較簡單，但是生成的碳納米管與C60等產物混雜在一起，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。此外該方法反應消耗能量太大。近年來有些研究人員發現，如果采用熔融的氯化鋰作為陽極，可以有效地降低反應中消耗的能量，產物純化也比較容易。
　　近年來發展出了化學氣相沉積法，或稱為碳氫氣體熱解法，在一定程

度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態烴可以分解生成碳納米管。這種方法突出的優點是殘余反應物為氣體，可以離開反應體系，得到純度比較高的碳納米管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節省了能量。但是制得的碳納米管管徑不整齊，形狀不規則，并且在制備過程中必須要用到催化劑。目前這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的碳納米管的結構，已經取得了一定進展。
　　除此之外還有固相熱解法等方法。固相熱解法是令常規含碳亞穩固體在高溫下熱解生長碳納米管的新方法，這種方法過程比較穩定，不需要催化劑，并且是原位生長。但受到原料的限制，生產不能規�；�和連續化。
　　另外還有離子或激光濺射法。此方法雖易于連續生產，但由于設備的原因限制了它的規模。

碳納米管的應用前景
　　氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲存又十分不方便。碳納米管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶

式的儲氫容器。
　　在碳納米管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細的納米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到應用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣利用碳納米管或者相關技術制備的微型導線可以置于硅芯片上，用來生產更加復雜的電路。
　　利用碳納米管的性質可以制作出很多性能優異的復合材料。例如用碳納米管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的碳納米管復合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響。碳納米管增強陶瓷復合材料強度高，抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環的缺陷，增強了反應活性，在高溫和其他物質存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基復合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數小、抵抗熱變性能強。
　　碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應最細的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中

的擺動頻率發生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質量。隨后德國科學家研制出能稱量單個原子的“納米秤”。

碳納米管發展史
　　在1991年日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現在被稱作的“Carbon nanotube”，即碳納米管,又名巴基管。
　　1993年。S.Iijima等和DS。Bethune等同時報道了采用電弧法，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，即單壁碳納米管產物。
　　1997年，AC.Dillon等報道了單壁碳納米管的中空管可儲存和穩定氫分子，引起廣泛的關注。相關的實驗研究和理論計算也相繼展開。初步結果表明：碳納米管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲氫容器。據推測，單壁碳納米管的儲氫量可達10%（質量比）。此外，碳納米管還可以用來儲存甲烷等其他氣體。