碳納米管的應(yīng)用

現(xiàn)代社會經(jīng)常聽到納米一詞，碳納米管雖不是新的事物，了解它應(yīng)用范圍的人并不是很多。為使更多人知到碳納米管的具體應(yīng)用，總結(jié)如下：

碳納米管的概念

碳納米管又稱巴基管，屬富勒碳系，它是由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米管。每層碳納米管是一個由碳原子通過SPZ雜化與周圍3個碳原子完全鍵合而成的六邊形平面組成的圓柱面.由于碳管的直徑一般在1-3 0mm之間，而長度可達(dá)數(shù)米，長徑比在100-1000之間，因此可以將它看成一維的量子線.根據(jù) 碳 納 米管中碳原子層數(shù)的不同，碳納米管大致可分為兩類:單壁碳納米管SWNI'S)和多壁碳納米管(MWNTS)< SWNTS是由單層碳原子繞合而成的，結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性和單一性.MWNTS是由許多柱狀碳管同軸套構(gòu)而成，層數(shù)在2--50層之間，層與層之間的間距為0.34 run，與石墨中碳原子層與層之間的距離為同一數(shù)量。

碳納米管的發(fā)展史：

碳納米管的發(fā)展歷程如下：1991年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳納米管；1992年，科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲卷結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出半導(dǎo)體或良導(dǎo)體的特異導(dǎo)電性；1995年，科學(xué)家研究并證實(shí)了其優(yōu)良的場發(fā)射性能；1996年，我國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)碳納米管大面積定向生長；1998年，科研人員應(yīng)用碳納米管作電子管陰極；1998年，科學(xué)家使用碳納米管制作室溫工作的場效應(yīng)晶體管；1999年，韓國一個研究小組制成碳納米管陰極彩色顯示器樣管；2000年，日本科學(xué)家制成高亮度的碳納米管場發(fā)射顯示器樣管。

碳納米管的用途：

納米的用途十分廣泛，在介紹時不可能面面具到，主要應(yīng)用領(lǐng)域概括如下。

一、能源方面—有代表性的是儲氫材料和納米碳纖素電池

儲氫材料

清華大學(xué)碳納米材料研究小組近日發(fā)現(xiàn)一種經(jīng)處理后表現(xiàn)出顯著儲氫性能的碳納米管，它有望成為新的清潔能源--氫能電池的制造材料。 研究小組的科技人員對定向碳納米管的電化學(xué)儲氫特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)這種碳納米管具有許多全新的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能，尤其是將它混以銅粉后表現(xiàn)出的顯著的儲氫性能。課題小組將碳納米管制成電極，進(jìn)行恒流充放電電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明, 混銅粉定向多壁碳納米管電極的儲氫量是石墨電極的10倍, 是非定向多壁碳納米管電極的13倍, 比電容量高達(dá)1625mAh/g, 對應(yīng)儲氫量為5.7wt％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),具有優(yōu)異的電化學(xué)儲氫性能。根據(jù)美國能源部(DOE)對車用儲氫技術(shù)制訂的標(biāo)準(zhǔn)，該研究小組這次發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)接近其對儲氫材料的重量和儲氫密度的要求。 該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在燃料電池的制造中，起到持續(xù)穩(wěn)定的氫源的作用。燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而以電學(xué)反應(yīng)連續(xù)把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以純氫為燃料，具有工作溫度低、輸出功率大、體積小、重量輕、“零排放”的優(yōu)點(diǎn)，特別適合交通運(yùn)輸工具使用。

納米碳素電池    納米碳纖素電池是中美科學(xué)家歷時十年時間，投入大量的人力、物力，新工藝研制的新材料、新技術(shù)的新綠色能源，重量輕，只有鉛酸電池的1/10重量，體積只有一般電池的1/16，能量可大的驚人，每克納米碳纖素電池的表面積比2000M克，每顆納米材料為10~30nm，長度150mm，光、聲、電都產(chǎn)生一般分子材料難以產(chǎn)生的能量，導(dǎo)電阻接近0，這是一般任何傳統(tǒng)電池?zé)o法比擬的。該產(chǎn)品具有快速充電的特性，又有突發(fā)功率的特性，重量比能量可在170Wh/kg~230Wh/kg之間，而體積比能量可達(dá)500W~1000W/L之間，充放電可達(dá)1000次以上，壽命長達(dá)10年。而價格僅為鋰電池的一半。它廣泛應(yīng)用于電動車、潛艇、電力機(jī)車等需儲能大、重量輕的電動力機(jī)械上。它的推出是超導(dǎo)及儲能科學(xué)的一場革命，為更高性能電化學(xué)電容器的研究開辟了新的途徑。

二 、復(fù)合材料領(lǐng)域   

高強(qiáng)度碳纖維材料 決定增強(qiáng)型纖維強(qiáng)度的一個關(guān)鍵是長度和直徑之比。目前材料材料工程師希望得到的長度直徑比至少是20∶1。然而，即使在現(xiàn)在能得到的以納米計(jì)算的長度中，納米管的長度也是直徑的幾千倍，因而號稱“纖維”。它們的強(qiáng)度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一。它們非常微小，5萬個并排起來才有人的一根頭發(fā)那么寬。

催化纖維和膜工業(yè) 畔梁及其研究組將硫酸工業(yè)和石油化工中應(yīng)用的重要的催化劑氧化釩灌注進(jìn)或涂覆在碳納米管上，氧化釩有時可以到達(dá)納米管管壁的石墨層的間隙中。用氧把碳管氧化掉，就只剩下全部由氧化釩組成的超小型纖維，形狀頗似納米管。這種被制成納米纖維的氧化釩，因其有極高的表面積，催化效果大大加強(qiáng)。除氧化釩外，碳納米管還可作為其他金屬和金屬氧化物催化劑的載體，大限度地提高催化劑的效率。碳納米管“列陣”制成的取向膜，可被用作場發(fā)射器件，也可被制成濾膜，由于膜也為納米，可對某些分子和病毒進(jìn)行過濾，從而使超濾膜進(jìn)入一個嶄新的天地。

納米高效、節(jié)能、環(huán)保汽油完全燃燒電觸媒，經(jīng)供油或由空氣濾清器進(jìn)氣泵進(jìn)入汽油發(fā)動機(jī)內(nèi)，使得汽缸中油氣混合大量納米(100nm)氧化物微粒，由于納米微粒尺寸小，接觸表面積變大（1公克納米材料表面積約100M2），當(dāng)接觸面積變大，表面能增高，這些表面原子處于嚴(yán)重的缺位（Vacancy）狀態(tài)，因此活性變?yōu)闃O高，會影響與它接觸的物質(zhì)，使 其變?yōu)楦顫?，而具有非常良好的感電性，再?jīng)汽油發(fā)動機(jī)之進(jìn)氣、壓縮等沖程，造成這些納米氧化物微粒本身帶電或因高壓而帶電，使得汽油發(fā)動機(jī)汽缸中充滿數(shù)以億萬個同時通電點(diǎn)火的粉塵引爆點(diǎn)，能在瞬間達(dá)到汽油充分燃燒，減少缸體內(nèi) 積碳，從而使車輛動力性能提高，發(fā)動機(jī)功率增強(qiáng)，節(jié)省燃料，改善尾氣污染排放。同時增大馬力，降低油耗，成為節(jié)能、 環(huán)保綠色產(chǎn)品，養(yǎng)護(hù)并延長發(fā)動機(jī)壽命。

一個由美國和澳大利亞科學(xué)家組成的研究小組開始生產(chǎn)具有獨(dú)特性能和能在不同領(lǐng)域——從生產(chǎn)家用電器到制作人造股肌肉與太空帆的超薄和超強(qiáng)材料。發(fā)表在新一期《科學(xué)》雜志上文章指出，這里所指的是利用碳納米管——大小相當(dāng)于單個分子的空心合成圓筒制成的帶狀物。

納米工藝領(lǐng)域的研究已經(jīng)幾十年了，并早已研制出碳納米管，但此前誰也不能將納米管編織成織物。現(xiàn)在美國得克薩斯大學(xué)和澳大利亞工業(yè)研究機(jī)構(gòu)科學(xué)家宣布一項(xiàng)重大突破：他們研制成一種能利用納米管生產(chǎn)寬度約為7厘米帶狀物的裝置，生產(chǎn)速度為每分鐘14米。

科學(xué)家證實(shí)，這種材料具有獨(dú)特性能，比鋼和任何塑料更堅(jiān)硬，呈透明狀并能彎曲，在加熱時能發(fā)光。在實(shí)驗(yàn)室條件下納米管織物表現(xiàn)出太陽能電池性能：在太陽光照射下能發(fā)出電能，研究人員估計(jì)，每平方英里（約258公頃）這種織物僅重77千克。

發(fā)明者與觀察家們相信，納米管織物的商業(yè)應(yīng)用不會等待太久，休斯頓萊斯大學(xué)化學(xué)家安德魯?巴龍博士認(rèn)為，下一階段這種神奇織物可以用來生產(chǎn)更輕和更結(jié)實(shí)的賽車外殼，并且這樣的外殼還可以作為蓄電池。

三、電子領(lǐng)域應(yīng)用

科技日報(bào)華盛頓9月19日電（記者 張孟軍） 美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，用碳納米管制成天線，就可以像接收無線電波的天線一樣接受光波。 在接收無線電波的天線中，天線的尺寸相當(dāng)于入射無線電波波長或其波長的一部分。無線電波可激勵電子成為電流。對無線電波的這種響應(yīng)、放大和調(diào)制，是無線電廣播和電視廣播的基礎(chǔ)，使之可傳輸聲音和影像。而在光波的情況下，因光波波長為幾百納米，因此難于對其響應(yīng)、放大和調(diào)制。盡管如此，據(jù)剛出版的《應(yīng)用物理通訊》稱，由美國華裔科學(xué)家王洋領(lǐng)導(dǎo)的美國波士頓學(xué)院科學(xué)家小組，目前采用碳納米管觀測到對可見光的基本天線效應(yīng)，入射可見光引起納米管產(chǎn)生微弱電流。據(jù)王洋稱，他們想直接測量這些微弱電流，但這要求能處理光頻下、電脈沖震蕩的“納米二極管”1015赫茲,但目前還不能獲得這種納米二極管。他們認(rèn)為，未來好的成果是觀測到由微弱電流發(fā)射的次輻射。碳納米管不僅以偶極天線的方式，對入射光做出響應(yīng)，而且它們還展示極化效應(yīng)；當(dāng)入射光在同納米管方向成直角方向被極化時，響應(yīng)消失。

對接收可見光納米天線的實(shí)際應(yīng)用，他認(rèn)為，納米天線可制成光電視，即將電視信號加到在光纖上傳送的激光束，而在終端，由一系列納米管（每個功能類似于高速二極管）將信號解調(diào)，而大大提高電視信號的效率和圖像的品質(zhì)。這種納米天線可成為高效太陽能轉(zhuǎn)化器。即入射光被轉(zhuǎn)化成電荷存儲在電容器中，從而可使太陽能轉(zhuǎn)化成電能的效率大大提高。目前傳統(tǒng)的利用太陽能發(fā)電的方法，是使用大面積太陽能電池板接收陽光，再轉(zhuǎn)化成電能。納米電子器件 由于碳納米管壁能被某些化學(xué)反應(yīng)所“溶解”，因此它們可以作為易于處理的模具。只要用金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，即可得到納米尺度的導(dǎo)線。目前，除此之外無其他可靠的方法來得到納米尺度的金屬導(dǎo)線。本法可進(jìn)一步地縮小微電子技術(shù)的尺寸，從而達(dá)到納米的尺度。理論計(jì)算表明，碳納米管的電導(dǎo)取決于它們的直徑和晶體結(jié)構(gòu)。某些管徑的碳納米管是良好的導(dǎo)體，而另外一些管徑的則可能是半導(dǎo)體?，F(xiàn)在日本NEC公司的研究人員證實(shí)巴基管具有比普通石墨材料更好的導(dǎo)電性，因此碳納米管不僅可用于制造納米導(dǎo)線的模具，而且還能夠用來制造導(dǎo)線本身。物理學(xué)家Broughton J Q認(rèn)為將來可以采用碳納米管制造出分子水平的線圈筒、活塞和泵等微型零件來組裝成微型引擎或其他裝置，來恢復(fù)病體功能。利用碳納米管的電子特性，可用來制作晶體管開頭電路或微型傳感器元件。它還可以做為鋰離子電池的正極和負(fù)極，使電池壽命增長，充放電性能好。此外碳納米管被認(rèn)為是制造新一代平面顯示屏極有希望的材料。

四、 醫(yī)療領(lǐng)域 及生物工程

在美國加利福尼亞大學(xué)萊斯利?威爾遜和齊魯斯?薩費(fèi)尼亞博士領(lǐng)導(dǎo)下研制成的一種所謂“智能”生物納米管，將來能在人體內(nèi)運(yùn)送藥物。

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員利用從母牛腦組織中萃取的微細(xì)管，微細(xì)管是能進(jìn)入細(xì)胞骨骼的納米大小圓柱體，在人體內(nèi)微細(xì)管能完成幾種功能，其中包括實(shí)現(xiàn)物質(zhì)運(yùn)輸和神經(jīng)脈沖傳遞。 研究發(fā)現(xiàn)，在帶負(fù)電的微細(xì)管與帶正電的脂膜相互作用時會發(fā)生微細(xì)“容器”的自行組合，不僅如此，如果對含有這些微細(xì)管的溶液加上電壓，則可以改變“容器”的形狀，打開“容器”的兩端或其中一端。這種“容器”的外部直徑大約為40納米，而其內(nèi)徑約為16納米。

科學(xué)家認(rèn)為，將來在生物“容器”內(nèi)部可以放入藥物，并可以在任何所需地點(diǎn)釋放藥物。研究人員已經(jīng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，證明新方法可靠有效。不過，科學(xué)家目前尚未作出很快就能實(shí)際應(yīng)用“智能”生物納米管的預(yù)測。

生物的分子組件(Living molecular components)

生物分子世界里，結(jié)構(gòu)與功能扮演重要角色，而維持細(xì)胞功能是由細(xì)胞質(zhì)液內(nèi)的絲狀蛋白所維持，也就是所謂細(xì)胞骨架(Cytoskeleton)。細(xì)胞骨架提供細(xì)胞機(jī)械性支撐以維持細(xì)胞形狀，細(xì)胞骨架至少由三種纖維組成，微管(Microtubules)、微絲(Microfilament)、中間絲(Intermediate filament)。微管為中空管狀，由a和b管蛋白組成雙體，微管外徑為25nm，內(nèi)徑15nm，主要功能為細(xì)胞的運(yùn)動。微絲為兩條絞合的肌動蛋白(Actin)鏈組成，直徑為7nm，另有肌凝蛋白(Myosin)，這兩種蛋白負(fù)責(zé)肌肉收縮與細(xì)胞運(yùn)動。而中間絲為纖維蛋白超絞結(jié)而成，直徑為8-12nm，目的在維持細(xì)胞的形狀。我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)幾乎是奈米單位組成，在如此微細(xì)成份中卻影響到整個生物分子運(yùn)轉(zhuǎn)。例如細(xì)胞骨架中的微管和微絲在細(xì)胞運(yùn)動功能中靠一種蛋白質(zhì)復(fù)合物相互作用完成的，此蛋白質(zhì)復(fù)合物叫做運(yùn)動分子(Motor molecules)。各種不同形式的運(yùn)動分子是藉由改變形狀來達(dá)到目的，每次改變形狀都是釋放游離一端，并沿著微管或微絲伸向遠(yuǎn)程。

比方說，在細(xì)胞的肌肉學(xué)里面，如阿米巴原蟲的變形蟲運(yùn)動，其實(shí)是一連串分子的事件。另外，著名的"生物馬達(dá)"微生物的鞭毛(Flagella)運(yùn)動，其一跟鞭毛的揮動即具有推動整個微生物前進(jìn)的推進(jìn)力，因此常被用來當(dāng)作生物組件作為奈米機(jī)械的一個例子。其原理是利用微管的滑動，微管在鞭毛中的排列為"9+2"的特殊結(jié)構(gòu)，9個繞成一圈的微管兩兩成對(雙胞胎)，2個在中心的微管則為單獨(dú)(Singlet)排排站，前段所述微管中具a與b dimer的蛋白質(zhì)稱tubulin (42k)，并有dynein (400k)，扮演類似骨胳肌中myosin的角色，tubulin與dynein兩種蛋白質(zhì)局部結(jié)合而彼此滑動(Slide)，造成此兩種纖維縮短，故可發(fā)揮力的"收縮狀態(tài)"。

自然界的機(jī)械原理常是在運(yùn)用蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變動，而且這些工作單位都是在奈米的。這么小的一個工作機(jī)器，卻可以產(chǎn)生足以讓整個微生物變形或移動所需要的力道，而在第一部分所提的人工DNA奈米機(jī)械應(yīng)該也有類似潛力，操作一些自然界可能原先并沒有去操作的功能。利用蛋白質(zhì)分子的移動和作功原理，我們稱為"生物機(jī)械系統(tǒng)"(Molecular machine system)，利用此生物分子組件工作原理可應(yīng)用于其它之科技產(chǎn)業(yè)。如何利用生物分子微小能量，轉(zhuǎn)換成巨大力量，將是未來努力方向。

五、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域

利用納米集塵灰微粒的特性，發(fā)展新的保濕材料，大幅提升土壤之保水能力，提高綠化成功率與速度，為本項(xiàng)目發(fā)展目標(biāo)。希望借著此一新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，可以有效解決沙漠化地帶土壤風(fēng)化和水份流失，造成土壤逐步荒漠化之危機(jī)。

碳納米管以其特殊的結(jié)構(gòu)，奇特的力學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)性能，極其廣泛的應(yīng)用范圍和有潛力的應(yīng)用價值，吸引了全世界科學(xué)家的關(guān)注。有關(guān)碳納米管的研究也更加深入，成為當(dāng)前重要的國際前沿課題之一，我國科學(xué)家在這一領(lǐng)域己經(jīng)取得了若干重要進(jìn)展。碳納米管具有非常光明的前景，可以相信在未來10年內(nèi)，隨著碳納米管應(yīng)用技術(shù)及產(chǎn)品的開發(fā)，碳納米管將會對眾多領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深刻的影響，并給人類帶來巨大的利益。