碳纳米管的应用

单壁碳纳米管（CNT）具有卓越的刚性、强度、韧性以及极高的热导率和电导率，这些特性源于其独特的碳原子结合方式以及完美的分子结构。碳是元素周期表中唯一能够与自身形成无限延伸网络结构的元素。这使得它成为第一个具有金属性电导率的已知分子，其中每个由其供体原子提供的离域π电子都能在整个结构中自由移动，而不是局限于其供体原子。此外，碳-碳键的高频振动提供了比金刚石更高的本征热导率。

A. CNTs 的电子应用

1. 传统材料的替代品

由于碳纳米管增强的纳米复合材料在机械、电气、热学、阻隔性和化学特性方面具有吸引力，例如电导率、提高的拉伸强度、更好的热变形温度或阻燃性，它们被视为传统复合材料的有吸引力的替代品，受到了广泛关注。这些材料声称能够提供更高的断裂强度和耐磨性、抗静电性能以及减轻重量。例如，先进的碳纳米管复合材料有望将宇宙飞船和飞机的重量减轻多达 30%。运动器材（自行车车架、网球拍、曲棍球杆、高尔夫球杆和球、滑雪板、皮划艇、运动箭）已经由这些复合材料制成。

2. 在催化中的应用

碳纳米管卓越的表面积以及它们能够将几乎任何化学物质吸附到其侧壁上的能力，使其在催化领域极具吸引力。尽管 CNTs 已被用于许多相关的化学反应中作为催化剂，但要控制它们的催化活性仍然具有挑战性。

3. 在晶体管中的应用

尽管石墨烯和其他二维（2D）材料已经出现，但半导体单壁碳纳米管仍被视为下一代超小型、高性能薄膜晶体管和光电器件的有力竞争者，有望取代硅电子器件。在亚 10 纳米宽度下，CNTs 晶体管是否能提供优于硅的性能，是一个关键问题。

关于 CNTs 晶体管在极小尺度下是否会继续表现出卓越的性能，纳米电子学界对此存在分歧。一些人认为，有限的理论研究也支持了这种观点，即载流子的极小有效质量会导致隧道效应，从而导致器件在约 15 纳米时发生击穿。

相反，一些人仍然相信，仅 1 纳米直径的超薄单壁碳纳米管主体，即使在亚 10 纳米区域也能实现卓越的晶体管性能。

到目前为止，研究人员只取得了令人鼓舞的实验结果，在将 CNTs 晶体管成功集成到大规模芯片生产之前，仍有许多障碍需要克服。

4. 良好的导热性

CNTs 具有出色的机械、电学和导热性能。它们很可能是最理想的电子场发射体。由于它们是纯碳聚合物，可以使用已知且极其复杂的碳化学方法进行制造和改性。这提供了改造其结构并最大化其溶解性和分散性的机会。这些卓越的特性使得 CNTs 在各种应用中具有潜在价值。

5. 场发射应用

为了使设备能够工作，材料必须提供强大的电子束源。场发射扫描电子显微镜（FESEM）是一个很好的例子。许多物质可用作场发射源，并以在低场下具有良好的场发射性能而闻名。CNTs 与高电流密度、高增强因子、高稳定性和低开启电场相关。这些特性使得 CNTs 能够用于各种场发射显示技术。

6. 导电塑料

塑料在结构应用方面取得了巨大进展，但在需要导电性的领域却不然，因为它们是极好的电绝缘体。

通过在塑料中添加导电添加剂，例如炭黑和较大的石墨纤维（用于制造网球拍和高尔夫球杆的那种），可以消除这种弱点。然而，要使用常规填料获得合适的导电性所需的添加量通常很大，导致组件笨重，并且更明显的是，塑料部件的结构性能会严重受损。众所周知，随着纤维颗粒长径比的增加，获得特定导电性所需的添加量也会增加。由于 CNTs 具有所有碳纤维中最大的长径比，因此是理想的选择。此外，即使在极低的添加量下，它们固有的成绳倾向也能提供极长的导电通道。

7. 储能

研究表明，CNTs 是在锂离子电池应用中具有最大可逆容量的碳材料。此外，CNTs 目前正被推广用作超级电容器电极材料，并且是此类应用的良好材料。

由于其固有的特性，碳纳米管（CNTs）是电容器和电池（两个快速发展的技术）电极的首选材料。CNTs 具有非常高的表面积（约 1000 m2/g）、强大的导电性，最重要的是，由于其线性设计，其表面对电解质具有高度可及性。

8. 在燃料电池组件中的应用

由于高导热性和表面积等特性，它们可用作 PEM 燃料电池中的电极催化剂载体。除了集流体，它们还可以用作气体扩散层，因为它们具有高导电性。由于耐用性至关重要，高强度和高韧性重量比的碳纳米管（CNTs）也可作为运输用燃料电池的复合部件。

9. 在制造导电胶和连接器中的应用

使碳纳米管（CNTs）成为电磁屏蔽、ESD 材料和其他应用导电填料的精确特性，也使其适用于连接应用和电子封装，如同轴电缆、灌封胶、胶粘剂和其他类型的连接器。

10. 在分子电子学中的应用

在过去五年中，分子电子学（一种用材料的基本构件——分子来构建电子电路的纳米技术理念）得到了发展。在任何电子电路中，尤其是在尺寸减小到纳米尺度时，开关和其他有源器件之间的连接变得越来越重要。CNTs 因其精确的衍生物、导电性和几何形状，成为分子电子学中连接的最佳选择。此外，它们已被证明可用作开关。

11. CNTs 作为热材料

CNTs 无与伦比的各向异性热导率正在为一系列与传热相关的应用铺平道路。在电子学中，特别是在先进的计算领域，未冷却的芯片现在经常超过 100°C，这种应用可能会找到用武之地。

据 D. Walters 称，定向排列的 CNTs 结构和带状技术是生产高效热导体的关键一步。此外，已有研究表明，即使在极低的添加量下，含 CNTs 的复合材料也能显著提高其整体导热性。

12. CNTs 结构复合材料

除了卓越的热导率和导电性外，CNTs 还具有优异的机械性能，如强度、韧性和刚度。这些特性为利用它们制造各种先进复合材料打开了大门，这些复合材料需要一种或多种特性具有高值。

13. CNTs 纤维和织物

最近，纯 CNT 纤维以及 CNTs 复合纤维已被证明并正在快速发展。传输线电缆、防弹衣和车辆装甲以及机织纺织品只是这些极其坚固的纤维的一些应用。

此外，CNTs 还用于使纺织品具有抗污渍性。碳纳米管（CNT）是一种具有出色性能的高度吸收性材料。纺织工业使用碳纳米管（CNTs）并通过各种方式将其加工成复合材料，这些复合材料用作防弹织物的浸渍材料、防弹织物的生长以及最终的基于 CNT 的织物。由于碳纳米管（CNTs）被认为是潜在的防护服装材料，具有轻质、高强度和高能量吸收能力，纺织工业开发了一个有趣的研究课题。

因此，覆盖有 CNTs 的纤维表面可以执行多种功能，例如阻燃、导电和抗菌。借助碳纳米管（CNTs），纳米技术可以制造军用级防弹衣。

14. 基于 CNTs 的传感器

大多数基于 CNTs 的传感器是场效应晶体管（FET）；虽然 CNTs 结构坚固且惰性，但不同分子的电荷转移和化学掺杂对其电特性有显著影响。在环境应用中，CNTs-FETs 被广泛用于检测化学品，包括温室气体。

为了使 CNTs 能够选择性地识别目标分析物，必须对其进行功能化。多种类型的传感器基于功能化 CNTs 与目标分析物之间的分子识别相互作用。例如，研究人员已经开发出使用钯纳米颗粒装饰的单壁碳纳米管制成的柔性氢传感器。

15. 作为防腐剂

由于碳纳米管和纳米角天然具有抗氧化性，因此它们被用于干燥易氧化的草药。因此，它们被用作防晒霜和抗衰老化妆品。

16. 电池（锂离子电池）

由于锂（Li）的电负性低，并且易于提供电子，因此它是一种具有独特功能的有用元素。因此，它最适合生产轻质高效的电池。

尽管有上述优点，但 Li 的高反应性限制了其应用，因为它会降低金属的效率。这个问题可以通过同时应用 CNTs 和 Li 来解决。通过将 Li 离子插入 CNTs，可以制造出高效的电池。由此，Li+ 离子可以从石墨阳极迁移到阴极。

B. CNTs 的生物医学应用

尽管对 CNTs 在生物医学应用方面的研究仍处于早期阶段，但潜力巨大。由于碳在人体中占很大比例，因此通常认为它是一种相对生物相容的物质。

既然已证明细胞可以在 CNTs 上生长，它们似乎对细胞没有有害影响。此外，细胞不会粘附在 CNTs 上，这为假肢涂层和船舶的防污涂层提供了机会。

功能化（化学改性）的 CNTs 侧壁的生物医学应用包括血管支架以及神经元的发育和再生。此外，已证明单链 DNA 可以连接到纳米管上，然后成功地将其引入细胞。

1. 空气和水过滤

一些公司和研究人员已经开发出了基于 CNTs 的水和空气过滤系统。据报道，这些过滤器能够消除绝大多数细菌，并能阻挡最小的颗粒。这是 CNTs 已实现商业化并有产品上市的另一个领域。

2. 陶瓷应用

CNTs 的断裂韧性（抗应力开裂能力）是传统氧化铝的五倍。该材料的导电性是使用纳米管制造的传统陶瓷的七倍。它因其有趣的热学特性而成为热障涂层的一种流行材料，这些特性包括沿纳米管排列方向传递热量，以及在垂直于纳米管的方向反射热量。

3. 药物递送载体

由 CNTs 组成的球形聚集体，具有无序的角状结构，称为碳纳米角，简称 CNHs。许多研究已提议将 CNTs 和 CNHs 作为潜在的药物递送系统载体。由范德华力结合的石墨层能够滑动，因此在片剂制造过程中可用作润滑剂或助滑剂。

4. 基因工程

CNTs 和 CNHs 在基因工程中用于构建基因和原子，以用于组织工程、蛋白质组学和生物成像基因组的创建。通过连接其特定的核苷酸，开放的 DNA（单链）缠绕在 SWNT 上，并导致其静电行为发生变化。CNTs 因其圆柱形结构，在癌症治疗和遗传病治疗中用作基因载体。它们已通过这种类型的碳纳米管被证明可用作基因治疗的载体。

5. 人工植入物

身体对植入物会产生不良反应，导致术后疼痛，但与蛋白质和氨基酸结合的微小纳米管和纳米角可以延缓排斥反应。此外，它们可以以假体关节的形式用作植入物，而不会引起宿主排斥。由于它们在骨骼结构中堆叠/分组，含有钙，并且具有高抗拉强度，因此碳纳米管可以作为骨骼的替代品。

6. 生物传感器

集成 CNTs 的传感器将彻底改变包括生物医学在内的各个行业。一个例子是血糖传感应用，这需要糖尿病患者通过定期自我测试来评估和控制其血糖水平。在核电站和反应堆、化学实验室和工业环境等危险环境中监测辐射暴露是另一个例子。

在每种情况下，主要目标是确定每个步骤的暴露水平，以便可以采取正确的行动。在监测血糖、体温、脉搏和诊断疾病方面，基于 CNTs 的纳米传感器作为嵌入式传感器非常有用。碳纳米管，或 CNTs，是生物活性材料（如药物、DNA 和蛋白质）的最有效载体。

CNTs 的其他医疗应用

由于 CNTs 的独特质量和特性，研究人员能够探索纳米医学的新领域。已证实 SWNTs 和 MWNTs 是早期药物递送技术的安全有效替代品。它们能够穿过细胞膜，并将疫苗、核酸和治疗性药物靶向递送到细胞内部的底物。它们充当完美的无害载体，有时可以提高药物的溶解度，从而提高疗效和安全性。总而言之，CNTs 的研究表明它们在医学领域具有非常光明的未来。

CNTs 的毒性及其控制

由于碳纳米管（CNTs）卓越的物理和化学特性，它们在工业中的应用引起了极大的关注。然而，它们的利用与一些挑战相关，特别是与其毒性相关的挑战。

CNTs 可能对人体健康产生相反的影响，尤其是在主要的暴露部位——肺部。需要采取具体措施来降低 CNTs 的毒性。过量暴露于 CNTs 粉尘还会引起氧化应激和炎症。

C. 光电和光子应用

1. CNTs 在太阳能电池中的应用

此外，CNTs 在太阳能电池中也有应用。太阳能电池板是它们的主要应用场所。CNTs 强大的紫外/可见/近红外吸收特性使其在太阳能应用中更具优势。一些研究组织声称，使用 CNTs 可以提高太阳能电池的效率。据报道，CNTs 已被用于新泽西理工学院的太阳能电池开发。这种混合物产生了类似蛇的结构，有助于捕获电子。

2. 使用 CNTs 可饱和吸收体的无源锁模激光器

基于 CNTs 的可饱和吸收体正迅速取代半导体可饱和吸收镜（SESAM）和非线性光纤环镜（NOLM）等更传统的方法来实现可饱和吸收。SESAMs 目前仍然是商用无源锁模激光器中最常见的组件，但由于其复杂的制造工艺，每种工作波长都需要洁净室设施和特殊的制造工艺。

相反，CNTs 具有小于皮秒的恢复时间、宽带功能、光纤兼容性、紧凑的尺寸和易于制造的优点。此外，基于 CNTs 的可饱和吸收体可以在反射或透射模式下工作。由于多种原因，研究人员开始选择基于 CNTs 的器件而不是更成熟的 SESAMs 用于商业应用。

3. 发光

当半导体 CNTs 被电泵浦或光泵浦时，它可以产生光子（光致发光，PL）（电致发光，EL）。除了用于生物成像和活体组织传感外，PL 是表征 CNTs 的重要工具。通过将一个空穴和一个电子注入单个半导体 CNT，已证明双极性 CNT-FET 可以作为基于 EL 的纳米级发光体。还已证明半导体 CNTs 因受激发射而表现出光增益。

4. 非线性

在 CNTs 中，可饱和吸收（SA）和非线性折射率变化（克尔效应）是显著的，并且是第三阶非线性，速率很快。已证明 CNTs 可以作为无源锁模短脉冲光纤激光器（特别是具有短腔的高重复频率光纤激光器）的非常有效的高级吸收体（SA）。

5. 光伏

已证明单个 CNT 光电探测器可以在纳米尺度上充当半导体 CNT 光电探测器。在太阳能电池应用中，其中面积大小和效率至关重要，CNTs 在制造透明电极和提高聚合物或染料敏化太阳能电池效率方面发挥作用。

6. 显示屏

半导体碳纳米管（CNTs）因其高迁移率和微小的管径，可以成为场发射显示器（FED）出色的电子发射体。对于液晶显示器或有机 EL 显示器等平板显示器，基于 CNTs 的透明电极尤其有用。

7. 透明导电

尽管氧化铟锡（ITO）是目前在太阳能电池和平板显示器中用于透明电极最广泛的材料，但它存在一些缺点。导电 CNTs 涂层在从紫外可见光到近红外的宽光谱范围内具有出色的光学透明度，并且由于 CNTs 中的高迁移率而具有高导电性，这使其成为潜在的替代品。

D. 碳纳米管的潜在应用

由于其出色的导电性，碳纳米管有可能成为比金属导线更便宜的替代品。由于其半导体特性，它们可能成为当前计算机芯片的替代品。碳纳米管和碳纤维很可能成为增强型纳米复合材料，有望促进复合材料中电网络的形成。

此外，已有研究发现 CNTs 是更环保的塑料阻燃剂。含有微米级尼龙星（MWNTs）的油漆也被证明可以抑制船体上藻类和藤壶的生长，从而减少生物污损。这使得含 MWNTs 的油漆成为比含杀生物剂的油漆更安全的选择。东京大学的研究人员使用一种橡胶状的基于纳米管的导体制造了一个有机发光二极管（OLED）显示器。这种 OLED 能够与凯夫拉等需要减轻重量的设备竞争。

E. 碳纳米管的当前应用

一段时间以来，CNTs 一直对商业产品产生重大影响。碳纳米管已被整合到抗静电包装中，并用于控制或改善聚合物的导电性。如今，结构增强是 CNTs 最常见的应用。由于其高强度、轻质和柔韧性，它们被与其他材料结合，例如混凝土中的钢筋。此外，CNTs 可以被制成薄膜和本体复合材料。

CNTs 的局限性

• 在大多数生物可接受的溶剂（水基）中不溶。
• 能够批量生产具有化学和结构上可重复的稳定性能的 CNTs。
• 难以保持最低限度的污染物和高质量。

结论

碳纳米管，或 CNTs，仅仅是纳米技术作为科学未来灯塔继续闪耀的一个例子。与钢相比，碳纳米管强度高 100 倍，重量仅为六分之一。它们在导电和导热方面也优于铜。当有效使用时，碳纳米管（CNTs）正在改变材料科学和技术。