碳納米管——這是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅固的材料之一，而它的工業(yè)化應(yīng)用才剛剛開始。碳納米管（英語：Carbon Nanotube，縮寫為CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學(xué)家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子層，管上每個碳原子采取sp2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結(jié)合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間，形成跨越整個碳納米管的共軛π電子云。按照碳納米管中碳原子層數(shù)的不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管管子的半徑方向非常細，只有納米尺度，幾萬根碳納米管并起來也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數(shù)十到數(shù)百微米。
碳納米管是碳的同素異形體，這意味著它們是碳原子的幾種可能的排列方式之一。在自然界中，純碳要么以石墨(一種柔軟的片狀固體)的形式存在，要么以金剛石(一種透明的、最堅硬的天然材料)的形式存在。碳納米管與石墨的關(guān)系，遠比與鉆石的關(guān)系更密切。石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成，而碳納米管就是由石墨烯制成管狀后得到的。
目前，碳納米管主要用于改善聚合物復(fù)合材料的性能。碳納米管具有以下一系列優(yōu)點：
極高的強度
高的強度重量比
高電導(dǎo)率
高導(dǎo)熱率
與其他增強材料相比，碳納米管比纖維增強聚合物復(fù)合材料中使用的其他纖維強得多。最近的研究也集中在功能梯度聚合物的開發(fā)上，其中碳納米管在聚合物結(jié)構(gòu)內(nèi)選擇性分布，以獲得定制的機械性能。
碳納米管還具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，這使其可用于電子封裝應(yīng)用，或用作聚合物和粘合劑的添加劑以使其具有導(dǎo)電性。
單個碳納米管是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅固的材料之一，但必須將它們連接在一起才能發(fā)揮其強度作用。因此，碳納米管經(jīng)常被用作其他材料(通常是聚合物)的添加劑，以改善聚合物的性能。
碳納米管的強度已接近碳的理論強度（材料的理論強度，是指破壞沒有任何缺陷的完美晶體所需要的應(yīng)力），其奧秘在于其小尺寸，無缺陷。例如，純鐵的理論強度為31.8 GPa，而大部分鋼的強度僅在270-740 MPa范圍內(nèi)，不到純鐵理論強度的2.5％。這是因為，與理論上的無缺陷晶體相比，被稱為位錯的微小缺陷會使大多數(shù)鋼在較低應(yīng)力下發(fā)生塑性變形和破壞。
排列整齊的碳納米管的SEM圖像?Fraunhofer IKTS大部分材料永遠無法接近其理論強度。大尺寸材料不可避免會出現(xiàn)各種微觀尺度的結(jié)構(gòu)缺陷，從而降低其強度。以目前的技術(shù)，大量制造無缺陷的大尺寸材料幾乎是不可能的。
電化學(xué)生長的TiO2納米管的電子顯微鏡圖像但是，如果材料的尺寸非常非常小，則有可能獲得無缺陷材料。碳納米管超強的原因，正是因為其尺寸超小無缺陷。當(dāng)然，如要制成宏觀尺寸的零件，則還需要制造出一種纖維增強的復(fù)合材料，來捆扎足夠多的納米管。
據(jù)報道，單個多壁碳納米管的強度為11 – 63 GPa，接近碳的理論強度156.0 GPa。其他材料也可以制成超小型無缺陷的“晶須”，其中也包括鐵。納米晶須鐵的強度可為13 GPa，比大多數(shù)普通鋼更接近鐵的理論強度。在實驗室條件下，已經(jīng)以納米管，納米線或晶須的形式合成了多種復(fù)合材料，但是碳納米管仍是為數(shù)不多的可從諸如Goodfellow之類的供應(yīng)商處批量購買的超強納米材料之一。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。先用金屬等物質(zhì)灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細的納米尺度的導(dǎo)線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些碳納米管本身也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的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)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(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對環(huán)境造成影響。碳納米管增強陶瓷復(fù)合材料強度高，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，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基復(fù)合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強。碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細現(xiàn)象機理最細的毛細管，給化學(xué)家提供了進行納米化學(xué)反應(yīng)最細的試管。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動頻率發(fā)生變化。利用這一點，1999年，巴西和美國科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質(zhì)量。隨后德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子的“納米秤”。碳納米管還用來構(gòu)建各種微納米器件，最成功的例子是用雙壁碳納米管制作世界上最小的納米馬達，不過目前這類研究還停留在實驗階段，離應(yīng)用還有一段距離。根據(jù)《自然》（Nature）2013年9月25日報導(dǎo)，斯坦福大學(xué)開發(fā)出全球首臺完全以碳納米管（carbon nanotubes）所組成的電腦，并已經(jīng)成功運轉(zhuǎn)，這臺電腦叫做“Cedric”，目前還非常的簡陋，只具備基本功能，但卻可能發(fā)展成比現(xiàn)今任何一臺硅晶電腦都快且更有效率的電腦。“Cedric”由178個晶體管所組成，每個晶體管有10~200個碳納米管，總計有20億顆碳原子。
電子顯微鏡下碳管微電腦芯片體的場效應(yīng)畫面2019年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員采用碳納米管晶體管（Carbon Nanotube Transistors）成功研制出首款基于RISC-V指令集的16位元微處理器，名為“RV16X-NANO”?！癛V16X-NANO”在16位元資料和定址上執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)32位元長指令，包含了14000多個晶體管，是迄今為止用新興納米技術(shù)制造的最先進芯片。它能夠執(zhí)行一條“Hello，World！”指令，打印出：“你好，世界！我是 RV16XNano，以碳納米管所組成”。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）作為觸控?zé)善恋牟牧?。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)至今沒有進入量產(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)是從一組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。2007~2008年間，首次成功開發(fā)出碳納米管觸控?zé)善?，并由天津富納源創(chuàng)公司于2011年產(chǎn)業(yè)化，至今已有多款智能手機上使用碳納米管材料制成的觸控?zé)善痢?/span>與現(xiàn)有的氧化銦錫（ITO）觸控?zé)善敛煌幵谟冢?/span>1、氧化銦錫含有稀有金屬“銦”，碳納米管觸控?zé)善恋脑鲜羌淄?、乙烯、乙炔等碳氫氣體，不受稀有礦產(chǎn)資源的限制；2、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的X、Y坐標(biāo)；碳納米管觸控螢?zāi)贿€具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以制作出曲面的觸控?zé)善?，可?yīng)用于穿戴式裝置、智慧家具等產(chǎn)品。納米顆粒在醫(yī)學(xué)和環(huán)境上都存在潛在的危險。其中大部分原因是由于其高的表面體積比，這可以使粒子非常高的活性或具有催化作用。它們還能穿過生物體內(nèi)的細胞膜，它們與生物系統(tǒng)的相互作用還相對未知。但由于納米顆粒的大小和細胞間的團聚，顆粒不太可能進入細胞核、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等內(nèi)部細胞成分。最近一項關(guān)于納米氧化鋅對人體免疫細胞影響的研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅對細胞毒性具有不同程度的敏感性。有人擔(dān)心，制藥公司在尋求對現(xiàn)有藥物的納米重組以獲得監(jiān)管批準(zhǔn)時，依賴于對更早的、預(yù)重組版本藥物進行臨床研究時產(chǎn)生的安全數(shù)據(jù)。這可能會導(dǎo)致監(jiān)管機構(gòu)，如美國食品和藥物管理局(FDA)，錯過納米重組特有的新副作用。然而，大量研究表明，鋅納米顆粒在體內(nèi)不會被血液吸收。可吸入納米顆粒在某些燃燒過程中對健康的影響也引起了人們的關(guān)注。截至2013年，美國環(huán)境保護署正在調(diào)查下列納米顆粒的安全性。碳材料有廣泛的用途，從用于汽車和體育設(shè)備的復(fù)合材料，到用于電子元件的集成電路。納米材料(如碳納米管)與天然有機物之間的相互作用強烈地影響著它們的聚集和沉積，從而強烈地影響著它們在水環(huán)境中的傳輸、轉(zhuǎn)化和暴露。在過去的研究中，碳納米管顯示出一些毒理學(xué)影響，這些影響將在當(dāng)前EPA化學(xué)安全研究的各種環(huán)境中進行環(huán)境評估。EPA的研究將提供數(shù)據(jù)、模型、測試方法和最佳實踐，以發(fā)現(xiàn)碳納米管對健康的嚴重影響，并確定預(yù)測這些影響的方法。納米級氧化鈰用于電子、生物醫(yī)學(xué)用品、能源和燃料添加劑。工程氧化鈰納米顆粒的許多應(yīng)用會自然地分散到環(huán)境中，從而增加了暴露的風(fēng)險。使用含有CeO2納米顆粒作為燃料添加劑的新柴油，納米顆粒會在排放物持續(xù)存在，而這項新技術(shù)對環(huán)境和公共衛(wèi)生的影響尚不清楚。EPA的化學(xué)安全研究團隊正在評估納米技術(shù)支持的柴油燃料添加劑對環(huán)境、生態(tài)和健康的影響。納米二氧化鈦目前被用于許多產(chǎn)品。根據(jù)粒子的類型，它可能存在于防曬霜、化妝品、油漆和涂料中。它也被研究用于去除飲用水中的污染物。納米銀：納米銀被用于紡織、服裝、食品包裝和其他材料中，以消除細菌。美國環(huán)保署和美國消費者產(chǎn)品安全委員會正在研究某些產(chǎn)品，以確定它們是否能在真實世界中轉(zhuǎn)移納米尺寸的銀粒子。環(huán)境保護局正在研究這個課題，以便更好地了解兒童在他們的環(huán)境中接觸了多少納米銀。納米級鐵有許多用途，包括光學(xué)拋光等“智能流體”，以及作為更利于吸收的鐵元素的補充，但目前最突出的用途之一是用于去除地下水中的污染。在美國環(huán)境保護署的研究支持下，這種用法正在美國各地的許多地點進行試點。關(guān)于納米材料的健康和安全性研究仍在繼續(xù)，我們不用過分恐慌，借用業(yè)內(nèi)人士的一句話：“所有不提劑量的毒性分析，全是耍流氓?！?/span>
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