碳納米管材料：前景無限的新型材料

碳納米管

碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）是由一層或多層石墨按照一定方式卷曲而成的具有管狀結(jié)構(gòu)的納米材料，在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)。它的主體由六邊形碳環(huán)構(gòu)成，可以說是單層石墨六邊形網(wǎng)絡(luò)卷曲形成的無縫中空管。

目前在工業(yè)上常用的增強型纖維中，其強度的關(guān)鍵因素為長徑比，即長度和直徑的比例。一般來講，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，將碳納米管組合起來，比同體積的鋼強度高100倍，質(zhì)量只有鋼的1/6，因此被稱為“超強纖維”。

碳納米管是一種絕好的纖維材料，具有碳纖維的固有性質(zhì)，強度及韌性均遠優(yōu)于其他纖維材料。碳納米管的圓柱形碳分子具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能和電學(xué)性能，可以說是兼有金屬和半導(dǎo)體的性能。這使他們在納米技術(shù)領(lǐng)域、半導(dǎo)體領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、光學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有極大的潛力。

碳納米管的碳分子

按照石墨層數(shù)分類，碳納米管可分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。單壁碳納米管的拉伸強度很高，延伸率可以達到20%，在對其施加壓力時，它不會發(fā)生斷裂，而是發(fā)生彎曲然后打卷成麻花狀物體，當(dāng)外力釋放后碳納米管仍可恢復(fù)原狀。

單壁碳納米管（左）和多壁碳納米管（右）

研究表明，在ABS材料中加入2.5%的碳納米管，可形成一種全新的多壁碳納米管線材，打印出的物品強度比傳統(tǒng)的ABS材料更高。比如ESD碳納米管長絲，是由100%純ABS樹脂摻入多壁碳納米管制成的。ESD碳納米管長絲與聚合物經(jīng)過摻雜后，可以形成一種具有良好導(dǎo)電性能的新型復(fù)合材料�；�于這種材料的3D打印產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用在電子器件、通信器件、醫(yī)療器械、軍工、航天航空等領(lǐng)域中。

基于碳納米管復(fù)合材料制作的3D打印線材（圖片來源：Avante）

碳納米管傳感器（CNS）是一種十分有用的電子元件，能夠集成到許多小型電子產(chǎn)品中，比如各類交互式設(shè)備。但目前，它卻有著許多缺點，比如造價較高（尤其是大批量生產(chǎn)）、只能在堅硬的表面生成，很難嵌入到小物體中--這些都極大限制了它的應(yīng)用范圍。2016年，耶路撒冷希伯來大學(xué)的科學(xué)家們利用噴墨3D打印技術(shù)成功制備出了碳納米管傳感器（CNS），而由于材料和空間利用率都非常高，成本明顯低于當(dāng)前的其它方法。

利用噴墨3D打印技術(shù)成功制備出的CNS

這種新方法不但在常溫下就能實施，還十分靈活，能輕松將碳納米管打印到柔性表面上，而這正是制造CNS的關(guān)鍵。CNS可以嵌入到各類機械部件中，令它們獲得感知自身狀況的額能力，而這對于交互電子產(chǎn)品和探測器（如輻射探測器）來說十分重要。雖然研究者們并未透露更多相關(guān)信息，但他們表示，這種方法可輕松規(guī)�；�，而且能用于任意的柔性表面，甚至是汽車和建筑物。

碳納米管應(yīng)用

1．集成電路

2005年，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖委員會首次明確地指出，在2020年前后硅基的CMOS技術(shù)將達到性能極限，這意味著后摩爾時代的集成電路技術(shù)的研究變得日趨緊迫了。用碳納米管材料替換掉傳統(tǒng)的硅片，是一個解決的路徑。在2011年12月中旬的IEE電子設(shè)備會議上，IBM的科學(xué)家向全世界展示了全球第一個小于10納米的晶體管，并在隨后的2012年1月公布了具體尺寸—9納米。

與目前的硅晶體管不同的是，IBM采用的是碳納米管材料，并成功在單個芯片上集成了上萬個晶體管。雖與傳統(tǒng)的硅材料在晶體管數(shù)量上暫時還有差距，但其較小的體積和較輕的質(zhì)量優(yōu)勢明顯。

2016年11月，IBM公開了碳納米管的生產(chǎn)技術(shù)。利用這項技術(shù)可以制造出有史以來性能最強大的微型晶片，為微芯片皮下注射和可折疊電腦提供了可能。

基于碳納米管材料制成的集成電路

2.儲存/硬盤

現(xiàn)有的電腦在斷電后會丟失未存儲內(nèi)容，而硬盤讀取速度則太慢。將來，基于碳納米管的存儲器將解決這個問題。它除了儲存容量巨大，讀寫速度快（為普通閃存的1000倍），內(nèi)容不丟失的優(yōu)勢，它的功耗更低，更具可靠性與耐用性，生產(chǎn)成本也更低。

3.電池

現(xiàn)有電池的配方當(dāng)中含有高達96%-98%的活性物質(zhì)。因此，通過碳納米管技術(shù)改善活性物質(zhì)，進而增強電池能量密度成為了可能。

近來表現(xiàn)最突出的是單壁碳納米管（SWC-NT），一種特殊的導(dǎo)電添加劑。它能在低濃度時就形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，區(qū)區(qū)0.001%的濃度即可增加導(dǎo)電性，具有在未來5到10年內(nèi)將現(xiàn)有電池的能量密度增加60%的潛力。

4．醫(yī)療

牛津大學(xué)的研究團隊首次將X射線熒光光譜分析（XRF）中的造影劑封進比頭發(fā)還細5萬倍的碳納米管當(dāng)中進行成像。

造影劑是介入放射學(xué)中常用的藥物之一，通常被注入人體組織或器官后用于增強放射成型，由于多為非生物的化學(xué)制品，對人體有一定傷害。運用碳納米管技術(shù)的造影劑將不再對人體產(chǎn)生傷害，造影成像也更為清晰。

5.生物傳感器

來自麻省理工學(xué)院的工程師最近設(shè)計了一種新型傳感器，首次實現(xiàn)對由單個細胞分泌的單個蛋白分子的檢測。

這些傳感器由經(jīng)過化學(xué)改性的碳納米管組成，當(dāng)激光照射時，碳納米管會自發(fā)地發(fā)出熒光。

研究人員在碳納米管上涂覆DNA、蛋白質(zhì)或者其他可以結(jié)合特定靶標(biāo)的分子。當(dāng)這些分子與靶向結(jié)合時，人們能夠觀測到碳納米管的熒光變化。

用黃色捕獲劑處理的碳納米管可以與紫色靶蛋白結(jié)合并檢測紫色靶蛋白-這改變了納米管的電阻并產(chǎn)生了感測裝置。（圖片來源：俄勒岡州立大學(xué)）

6.納米機器人

由于碳納米管的體積非常小，醫(yī)生可以向人體血液里注射碳納米管機器人來治療心臟病。

一個皮下注射器能夠裝入上百萬個這樣的機器人。它們會自動識別沉積在動脈血管壁上的膽固醇或者病毒等目標(biāo)物，將其打碎或者消滅，使之成為廢物通過腎臟排出，起到治愈的作用。

7.導(dǎo)電塑料

碳納米管能夠被均勻地擴散到塑料中，可獲得強度更高并具備導(dǎo)電性能的材料。

這一技術(shù)可用于靜電噴涂和靜電消除材料等領(lǐng)域—高檔汽車塑料零件在采用這種材料后，可以用普通塑料取代原有的工程塑料，簡化了制造工藝，降低了成本，并獲得形狀更復(fù)雜、強度更高、表面更美觀的塑料零部件。

8. 電磁干擾屏蔽、隱形材料

碳納米管可以用于制造能對雷達實現(xiàn)隱身的飛行器表面的復(fù)合材料。原理是，通過吸收雷達波，可在雷電中減少損害并順利通過。

此外，它還可以用于制造機翼、機身、機舵和其他組件。更絕的是，它耐高溫、耐高熱和阻燃等特性，使之成為高速導(dǎo)彈表面材料的應(yīng)用選擇。

利用碳納米管制造的隱形飛機的表面材料

創(chuàng)新也會面臨很大的阻力。材料科學(xué)的企業(yè)因為很難得到產(chǎn)業(yè)的支持，因此很難拓展開。新材料在沒有找到特定應(yīng)用或市場還尚未開拓時，往往不能實現(xiàn)量產(chǎn)。比如碳納米管的價格高昂，很難普及開來。如果在應(yīng)用拓展和產(chǎn)能增加求得平衡，是材料科學(xué)面臨的一大難題。

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