碳纳米管：结构，性质，应用，毒性 - 化学 - 2025

所述碳纳米管是仅由碳原子（C）所形成的管或圆筒非常小和非常薄的。其管状结构仅通过电子显微镜可见。它是一种黑色固体材料，由非常小的束或几十个纳米管的束组成，缠结在一起形成复杂的网络。

前缀“ nano”表示“非常小”。测量中使用的“纳米”一词意味着它是测量的十分之一。例如，纳米（nm）是一米的十分之一，即1 nm = 10 ^-9 m。

碳纳米管样品。可以看出，它是一种黑色固体，外观类似碳。影子 资料来源：维基共享资源。

每个微小的碳纳米管都是由一层或多层石墨包裹起来的。它们分为单壁纳米管（单卷）和多壁纳米管（两个或多个圆柱体，一个在另一个内）。

碳纳米管非常坚固，具有很高的抗断裂性，并且非常柔软。它们导热和电性很好。它们也构成非常轻的材料。

这些特性使它们可用于各种应用领域，例如汽车，航空航天和电子行业等。它们还已用于医学领域，例如，运输和递送抗癌药物，疫苗，蛋白质等。

但是，其处理必须使用防护设备，因为吸入时可能对肺造成损害。

碳纳米管的发现

对于谁发现了碳纳米管，科学界有不同的看法。尽管有许多关于这些材料的研究论文，但下面仅提及几个重要的日期。

-1903年，法国科学家佩拉邦（Pélabon）观察了样品中的碳丝（目前尚无电子显微镜）。

-1950年，联合碳化物公司的物理学家罗杰·培根（Roger Bacon）研究了某些碳纤维样品，并观察了直的和空心的纳米绒毛或纳米生物（纳米晶须）的图像。

-1952年，俄罗斯科学家Radushkevich和Lukyanovich发表了自己合成并通过电子显微镜获得的碳纳米管图像的照片，可以清楚地看到它们是空心的。

-1973年，俄罗斯科学家Bochvar和Gal'pern完成了对分子轨道能级的一系列计算，结果表明，石墨片会自身扭曲形成“空心分子”。

-1976年，森之伸远藤观察到碳纤维的中空中心是苯和二茂铁在1000°C的高温下热解所产生的（热解是在没有氧气的情况下加热到非常高的温度时发生的分解形式）。

-1991年，饭岛进男（Sumio Iijima）使用电弧技术合成了由空心管制成的碳针后，引起了人们对碳纳米管的热情。

-1993年，饭岛纯男（Sumio Iijima）和唐纳德·白求恩（Donald Bethune）（彼此独立工作）同时发现了单壁碳纳米管。

对某些参考资料的解释

根据一些信息来源，也许碳纳米管的发现应归功于1952年俄罗斯科学家Radushkevich和Lukyanovich。

人们认为他们不应该得到应有的荣誉，因为当时存在所谓的“冷战”，西方科学家无法获得俄罗斯的文章。此外，俄语翻译的人很少，这进一步推迟了他们的研究在国外的分析。

在许多文章中，有人说饭岛是1991年发现碳纳米管的人。但是，一些研究人员估计，饭岛的工作之所以受到影响，是因为科学已经达到足够成熟的程度，以认识到碳纳米管的重要性。纳米材料。

有人说，在过去的几十年中，物理学家通常没有在化学杂志上读过文章，因为化学杂志已经在讨论碳纳米管，因此，饭岛的文章对它们感到“惊讶”。

但是，所有这些并没有降低饭岛从1991年以来的高质量作品。仍然存在意见分歧。

命名法

-碳纳米管或CNT（碳纳米管）。

-单壁碳纳米管或SWCNT（单壁碳纳米管）。

-多壁碳纳米管或MWCNT（多壁碳纳米管）。

结构体

物理结构

碳纳米管是非常细小的管或圆柱体，其结构只能用电子显微镜才能看到。它们由卷成管的石墨片（石墨烯）组成。

碳纳米管是石墨或石墨烯的压延板：（a）石墨片的理论图像，（b）压延板或碳纳米管的理论图像。OpenStax。资料来源：维基共享资源。

它们是仅由碳原子组成的空心圆柱分子。碳原子以类似于苯的小六边形（6面的多边形）的形式排列并连接在一起（稠合的苯环）。

碳纳米管的绘图，您可以在其中看到6个碳原子的小六边形。用户：Gmdm。资料来源：维基共享资源。

管子可能会或可能不会在其开口处堵塞，并且与直径相比可能会非常长。它们等效于卷成无缝管的石墨片（石墨烯）。

化学结构

CNT是多芳族结构。碳原子之间的键是共价的（也就是说，它们不是离子性的）。这些链接位于同一平面内并且非常牢固。

C = C键的强度使CNT非常刚性和坚固。换句话说，这些管的壁非常坚固。

平面外的接头非常弱，这意味着一根管和另一根管之间没有牢固的接头。然而，它们是吸引力，其允许形成纳米管束或束。

按管数分类

碳纳米管分为两组：单壁纳米管或SWCNT（单壁碳纳米管）和多壁纳米管或MWCNT（多壁碳纳米管）。

纳米管类型：（1）多壁纳米管真实图像，（2）单壁纳米管绘图，（3）石墨或石墨烯片绘图。W2raphael。资料来源：维基共享资源。

单壁碳纳米管（SWCNT）由卷成圆柱体的单个石墨烯片组成，其中六边形的顶点完美地配合在一起以形成无缝管。

多壁碳纳米管（MWCNT）由围绕同一个空心中心放置的同心圆柱体组成，也就是说，两个或更多个空心圆柱体彼此放置在一起。

多壁纳米管由两个或多个圆柱体组成，一个在另一个内。埃里克·威瑟（Eric Wieser）。资料来源：维基共享资源。

用电子显微镜获得的多壁碳纳米管的真实图像。环氧乙烷。资料来源：维基共享资源。

按绕线形式分类

取决于石墨烯片的轧制方式，由CNT中的六边形形成的图案可以是：椅子形，锯齿形和螺旋形或手性形。这会影响其性能。

手性或螺旋碳纳米管的真实图像。Taner Yildirim（美国国家标准技术研究院-NIST）。资料来源：维基共享资源。

物理性质

碳纳米管是固体。它们聚在一起形成数十个纳米管的花束，束，束或“线”，缠结在一起形成非常密集和复杂的网络。

用电子显微镜获得的碳纳米管的真实图像。可以看出它们形成相互缠结的束。英文维基百科的材料科学家。资料来源：维基共享资源。

它们具有比钢更大的拉伸强度。这意味着它们在承受应力时具有很高的抗断裂性。从理论上讲，它们可以比钢强数百倍。

它们非常有弹性，可以弯曲，扭曲和折叠而不会损坏，然后恢复其初始形状。他们很轻。

它们是热和电的良好导体。据说它们具有非常通用的电子行为或具有高电子传导性。

六角形排列成扶手椅状的CNTs管具有金属性能或类似于金属的性能。

那些以锯齿形和螺旋形图案排列的金属和半导体可以是金属的。

化学性质

由于碳原子之间键的强度，CNT可以承受很高的温度（常压下为750°C，真空下为2800°C）。

纳米管的末端在化学上比圆柱形部分更具反应性。如果它们被氧化，则末端首先被氧化。如果管子是封闭的，则两端打开。

在某些条件下用硝酸HNO ₃或硫酸H ₂ SO _4处理时，CNT可以形成羧基型基团-COOH或醌型基团O = CC ₄ H ₄ -C =O。

直径较小的CNT具有更高的反应性。碳纳米管可以在其内部通道中包含其他物种的原子或分子。

溶解度

由于CNT在其表面上没有任何官能团的事实，因此非常疏水，即与水的相容性极差，并且不溶于水或非极性有机溶剂。

但是，如果它们与某些化合物反应，则碳纳米管会变得可溶。例如，在某些条件下，用硝酸可以将HNO ₃溶于某些酰胺类溶剂中。

生化特性

纯碳纳米管是生物不相容的，这意味着它们与生命或生物组织不相容或不相关。它们被认为是攻击性元素，会从人体产生免疫反应。

因此，科学家对它们进行了化学修饰，使其可以被人体组织接受，并可以用于医疗应用。

它们可以与大分子相互作用，例如蛋白质和DNA，这是构成生物基因的蛋白质。

取得

碳纳米管由石墨通过各种技术制成，例如激光脉冲汽化，电弧放电和化学气相沉积。

它们也已经通过在气相中催化生长而从一氧化碳（CO）的高压流中获得。

在某些生产方法中金属催化剂的存在有助于多壁纳米管的对准。

但是，碳纳米管并不是总是相同的分子。根据制备方法和条件，获得它们具有不同的长度，直径，结构，重量，结果它们具有不同的性质。

碳纳米管的应用

CNT的特性使其适合多种用途。

它们已用于纳米技术，航空航天和汽车生产领域的电子，光学，塑料和其他产品的结构材料中。

碳纳米管有许多不同的用途。这是用电子显微镜获得的碳纳米管的真实图像。伊尔玛·金克（Ilmar Kink）。资料来源：维基共享资源。

具有CNT的材料的成分或混合物

碳纳米管已经与聚合物结合在一起，制成了高性能的增强聚合物纤维和织物。例如，出于防御目的，它们已被用于增强聚丙烯腈纤维。

CNT与聚合物的共混物也可以设计成具有不同的导电性能。它们不仅改善了聚合物的强度和刚度，还增加了导电性。

碳纳米管纤维和织物的强度也类似于铝和碳钢，但比这些轻得多。防弹衣已设计有这种纤维。

它们也已被用于获得更具抵抗力的陶瓷。

电子设备

碳纳米管在真空电子，纳米器件和能量存储方面具有巨大潜力。

CNT可以用作二极管，晶体管和继电器（允许断开和闭合电路的电磁设备）。

当受到电场或施加电压时，它们也可以发射电子。

气体传感器

碳纳米管在气体传感器中的使用使它们小巧，紧凑，轻巧，并且可以与电子应用结合使用。

碳纳米管的电子配置使传感器对极少量的气体非常敏感，此外，碳纳米管可以化学方式检测特定的气体。

医疗应用

由于其高的表面积，出色的化学稳定性和富电子的多芳族结构，CNT可以吸附或缀合多种治疗分子，例如药物，蛋白质，抗体，酶，疫苗等。

事实证明，它们是用于药物运输和输送，直接渗透到细胞中并在药物通过人体运输过程中保持完整的极好的载体。

后者使得减少药物剂量及其毒性，特别是抗癌药物成为可能。

碳纳米管已被证明可用于治疗癌症，感染，组织再生，神经退行性疾病以及作为抗氧化剂。

它们还用于某些分析中的疾病诊断，例如生物传感器，药物分离和生化化合物的提取。

它们还用于整形外科假体中，并作为骨组织生长的支撑材料。

其他应用

还建议将它们用作电池和燃料电池膜的材料，锂离子电池的阳极，超级电容器和化学过滤器。

它们的高电导率和相对的化学惰性使它们可用作电化学反应中的电极。

它们还可以粘附到反应物颗粒上，并且由于其较大的表面积，可以用作催化剂载体。

它们还具有储存氢的能力，这在使用这种气体的车辆中非常有用，因为使用碳纳米管可以安全地运输氢。

碳纳米管毒性

研究表明，在评估CNT的毒性方面存在困难。这似乎取决于特性，例如长度，刚度，浓度和与CNT接触的持续时间。这也取决于CNT的生产方法和纯度。

但是，建议处理碳纳米管时使用防护设备，因为有研究表明碳纳米管与石棉纤维相似，并且吸入碳纳米管粉尘会损害肺部。

技术员称量碳纳米管样品。您可以看到其使用的防护工具。美国国家职业安全与健康研究所。资料来源：维基共享资源。

碳纳米管如何通过肺中细胞的真实图像。Robert R. Mercer，Ann F. Hubbs，James F. Scabilloni，王丽颖，Lori A. Battelli，Diane Schwegler-Berry，Vincent Castranova和Dale W. Porter / NIOSH。资料来源：维基共享资源。

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