碳纳米管的应用前景（共6篇）
碳纳米管的应用前景 篇1
当材料尺度减少到纳米量级，会产生在宏观尺度上完全看不到的或者是特别优异的性能，达到纳米量级的材料会产生自组装效应、小尺寸效应、表面效应和量子效应。1.1 储氢材料
氢气在未来的能源方面将扮演一个重要的角色。氢能量蕴含值高，不污染环境，资源丰富，但氢气能源实用化的关键环节是氢气的储存。因SWNTs的中空部分是极好的微容器，可吸附大小合适其内径的各种分子，可储存包括氢在内的各种气体。通过对SWNTs的吸氢过程研究发现，氢可能以液体或固体的形式填充到SWNTs的管体内部以及SWNTs束之间的孔隙，纯的表面活性高的SWNTs有利于储氢。
1997年，美国可再生能源实验室的Dillon和Heben等人首次报道了SWNTs的氢气吸附性能。他们发现SWNTs在133K和40KPa的压力下能吸附大约5%-10%（质量分数）的氢，并指出SWNTs是目前唯一能满足氢能源燃料电池汽车的储氢材料。Ye等人使用高纯度的SWNTs在80K和10MPa下获得8.25%的氢吸附率。C.Liu等最近使用37%的盐酸浸泡48h和773K真空热处理2h的SWNTs在室温和10-12MPa的条件下获得了4.2%的氢吸附率（样品如图1所示）。我国成会明等也研究了半连续氢等离子弧制得的SWNTs经适当预处理后，在10MPa压力、室温下储氢质量分数可达4.2%-4.7%。这些研究表明，SWNTs是一种理想的储氢材料，具有潜在的应用前景。
（图1）硝酸处理后的SWNTs的SEM（扫描电子显微镜）照片
（图2）吸附氢的SWNTs结构示意图
（a）所有氢吸附在内表面（b）以氢分子形式稳定存在于碳管内部）1.2 电子领域的应用——双电层超级大容器
由于CNTs具有很好的电学性能，特别是经高温退火处理消除部分缺陷后的CNTs，导电性能更高，使得目前关于CNTs的应用研究主要集中在电子领域。我们就以SWNTs来说吧。
德国物理学家亥姆霍兹（Helmhots）在进行固体与液体界面现象的研究中发现，将金属板或其它导电体插入电解质溶液时，由于库仑力、分子间作用力或原子间作用力（共价力）的作用，使金属表面出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为双电层。对于双电层电容器，其储存能量的多少是由电容器电极极板的有效表面积确定，而SWNTs具有最大的比表面积和良好的导电性，碳纳米管制备的电极，可以显著提高双电层电容器的电容量。双层电容器的出现使得电容器的极限容量骤然上升了3-4个数量级，达到了近1000F的大容量。双层电容器的工作原理是基于在电极与电解液界面形成所谓的双电层的空间电荷层，在这种双电层中积蓄电荷，从而实现储能的目的。它不同于传统意义上的电容器，而类似于充电电池，但比传统的充电电池（镍氢电池盒锂离子电池）具有更高的比功率？？和更长的循环寿命（循环寿命在万次以上）。
因此，电化学电容器在移动通讯、信息技术、电动汽车、航天航空和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景。例如，大功率的超级电容器对于汽车的启动、加速和上坡行驶极具重要。它可以大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性，况且，对于燃料电动汽车的启动都是不可少的。鉴于双电层超级电容器的重要性，各工业发达国家都给予了高度重视。1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器的发展计划。美国能源部也制定了相应的发展超级电容器的研究计划。我国清华大学的马仁志等人采用催化裂解内烯和氢气的混合气体制备碳纳米管原料，并通过添加粘合剂或经高温加压的工艺手段制备碳纳米管的固体电极，再加入硫酸水溶液做电解质，成功地制备出超级电容器。
碳纳米管在电子领域应用非常广泛。如可作为导线、开关盒记忆元件，应用于微电子器件。利用碳纳米管的量子效应，在分子水平上对其进行设计和操作，可以推动传统器件的微型化。另外，碳纳米管具有很好的导电性，可以避免因电极材料的电阻极化对电池性能产生不利影响。因此，采用碳纳米管作为负极材料有利于提高锂离子电池的放电容量、循环寿命和改善电池的动力学性能等。
双电层电容器电荷 及电位分布示意图
（图3）
1.3 碳纳米复合材料：尼龙-66/SWNTs 随着SWNTs合成和生成技术的不断发展，SWNTs复合材料的实际运用已近在咫尺。SWNTs的优良性能可望开辟诸多新颖的应用领域，诸如，新型导电高分子材料、多功能聚合物复合材料、导电金属基复合材料以及高断裂应力陶瓷材料等等。而SWNTs是最有特征的一维纳米材料，具有非常独特、十分完美的微观结构和非常大的长径比，且表面积大、柔韧性好，在分子水平上与基质通过化学键连接因此能够被拉伸。
就以尼龙-66/SWNTs复合材料来说吧。尼龙-66（简称PA6,6）是一种具有较高力学性能的缩水聚合型高分子材料，在工业领域和日常生活中得到广泛应用。Haggenmueller等原位界面聚合的方法制备了PA6,6/SWNTs复合材料。SWNTs分别为纯化的、功能化修饰的和表面活性剂稳定的三种，分别用红外、拉曼和TG表征了SWNTs的修饰情况，分散性用光学显微镜观察，结果显示功能化的碳纳米管和表面活性剂稳定的碳纳米管在溶剂里面的分散性都得到了提高，仅功能化的SWNTs在复合材料中显示了较好的分散性，纯化的和表面活性剂分散的SWNTs在复合材料中碳纳米管出现团聚，弱的剪切还导致了SWNTs的凝絮.其实，碳纳米管复合材料的范围是很大的。我们这里只不过是列举其中的一钟着重介绍罢了。例如，碳纳米管/金属基复合材料就是将碳纳米管与金属基体复合。它包括碳纳米管/铁基复合材料、碳纳米管/铝基复合材料、碳纳米管/镍基复合材料等。碳纳米管/金属基复合材料具有高强度、良好的抗疲劳性能、高抗冲击性以及重量轻等优点。然而，由于其成本相对较高，限制了它的应用，至今主要应用于汽车工业、航空和航天工业。
不过，近年来，碳纳米管复合材料的研究重点已转移到高分子碳纳米管复合材料方面，在提高高分子材料力学性能方面已取得一定进展。如CNTs/PMMA复合材料。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）是一种被广泛使用、历史较长的加聚高分子材料。由于CNTs具有较好的导电性能，使得CNTs/PMMA复合材料的表面电阻率与体积电阻率随复合材料中CNTs含量的增加而减低，最大减幅达4个数量级，具有一定的抗静电作用。
（图4）
改进原位法复合的复合材料
拉断后扫描电子显微镜照片
1.4 生物医学领域
生物分子如核酸和蛋白质携带着生命过程的重要信息。在生物医学研究和卫生保健中，人们非常希望获得在分子水平上检测和运输特定物质或载体的能力。而当材料达到纳米尺度时，其大小接近生物分子，它们直接与单个生物分子作用，这与传统的宏观和微观器件处理相对大量的分子集合不同。
作为纳米材料，SWNTs的空腔管体可容纳生物特异性分子和药物，优良的细胞穿透性能使其作为载体运送生物活性分子及药物进入细胞或组织。原始的碳纳米管不溶于任何溶剂，而功能化修饰可改善碳纳米管的溶解性和生物相容性，故可携带蛋白、多肽、核酸和药物等分子，亦可作为治疗载体在癌症治疗、生物工程和基因治疗等领域展现出了令人瞩目的应用前景。
SWNTs可作为生物传感器。碳纳米管是传感器件的关键部分，它们在制造过程中被直接或间接地集成到器件中。迄今为止，人们使用了从先进的微纳加工或者是性质随特定生物活动而变化的感应元件，或者是将信号传递给测量单元的转换元件。生物传感器的原理是使用碳纳米管来探测单个活细胞内的生物化学环境或探测单个生物分子。碳纳米管探针可以附着在细长的电极尖端进行电学、电化学和电生理学测量。
除了上述应用外，由于碳纳米管的体积可以小到10-5mm3，医生可以向人体血液里注射纳米碳管潜艇式机器人，用于治疗心脏病。一个皮下注射器能够装入上百万个这样的机器人。它们从血液里的氧化和葡萄获取能量，按编入的程序刺探周围的物质。如果碰上的是红血球等正常的组织细胞，识别出来后便不予理会。当遇到沉积在动脉血管壁上的胆固醇或病毒时，就会将其打碎或消灭，使之成为废物通过肾脏排除。微型机器人可以使外科手术变得更为简单，不必用传统的开刀法，只需在人体的某部位上开一个极小的孔，放入一个极小的机械即可。这一切都是人眼所不能看到的。美国哈佛大学的Lieber等人研制出一种微型纳米钳，有望成为科学家和医生操作生物细胞、装配纳米机械进行微型手术的新工具。
1.5前景
作为当今材料科学领域的明星材料之一，SWNTs独特的结构以及其独特的性能揭示了它在各个领域的潜在价值。它的一些特殊的物理性质、化学性质，在新型功能材料和电子器件方面存在巨大的应用前景，因而人们对它产生了极大的研究兴趣，已成为全世界的研究热点，并给整个社会带来不可估量的利益和影响。
诺贝尔奖获得者的C60发现者之一R.E.Smalley称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新材料。”
现将碳纳米管的可能应用领域简单整理一下：
（图5）
尽管碳纳米管已取得巨大的应用与展示出不可估量的前景。但它也面临着几个问题，使得其不能真正的得到工业运用。一是，如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。碳纳米管的制备现状大致是：MWNTs能较大量生产，SWNTs多数处于实验室研制阶段，某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确，对碳纳米管的结构（管径、管长、螺旋度、壁厚等）还不能做到任意调节和控制，影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素太多（如催化剂颗粒的大小、碳源的种类、温度、混合气体的种类及比例等），使制得的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点，还没有高效的纯化碳纳米管的方法。二是，如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如，在常温常压下如何解析氢气及加快其储氢放氢速度。再如，如何提高碳纳米管吸附容量的稳定性和吸附压力的敏感性。再如，怎样才能，制备出性能更为优异或能预期其性能的碳纳米管复合材料。
碳纳米管的应用前景 篇2
1 跨国公司碳纳米管业务发展动向
(1) 拜耳材料科技集团发展碳纳米管业务
碳纳米管被公认为目前纳米科技领域的高端技术成果之一, 具有独特的电性能、机械性能和热性能, 可以在多种极端环境得到广泛应用。拜耳材料科技集团是目前全球为数不多的几家能够有效整合碳纳米管技术, 并投入商业化生产的化工企业。为了满足全球多壁碳纳米管的市场不断增加的需求, 德国拜耳材料科技集团2007年9月份在德国Laufenburg又建成1套碳纳米管生产装置, 使其碳纳米管产能从30t /a增至60t /a。
新材料也加快应用于风能构件领域。拜耳公司将使纳米管应用于风力涡轮叶片。该公司在2008年12月16日召开的创新会议上披露, 碳纳米管可使风力涡轮叶片长度增加到超过目前的60m限制值, 并可使碳纤维/环氧树脂材料基质大大减重。由拜耳材料科技公司制造的Baytubes材料在这一应用中的试验己在进行之中。据称, 使用少于20kg的Baytubes材料就可使叶片重量减轻高达3 t。这种Baytubes材料现已在德国南部拜耳子公司HC Starck的60t /a中型装置中生产, 但其产量有望提高, 现正在德国Leverkusen建设200t /a的装置。
拜耳材料科技推出的商品名为Baytubes®的碳纳米管, 作为添加剂能够在很大程度上改善各种材料的应用性能, 如利用其导电性可将其添加到塑料中, 制成抗静电包装膜材料及塑料容器, 使计算机部件及集成电路在运输中免于受损;多壁碳纳米管还能极大地增加复合材料的硬度及回弹性, 利用这一性能在环氧树脂复合材料中添加该材料, 可设计制成质量更轻、机械强度更大的冲浪板和滑雪橇等。
(2) 拜耳材料科技多壁碳纳米管在美销售
拜耳材料科技 (BMS) 公司于2008年12月得到美国环境保护局 (EPA) 对其多壁碳纳米管Baytubes®的认证。从此公司可以在美国市场销售Baytubes®产品, 并且加强了拜耳材料科技公司作为碳纳米管产品世界领先制造商之一的重要地位。此次认证包括了Baytubes® 150 P和HP级产品, 这两者均是在德国Laufenburg工厂生产, 年产量约为60t。
Baytubes®可作为聚合物或金属体系中的填料或改性剂以提高材料的机械强度和/或抗静电性能, 并且已经成功应用于环氧树脂、热塑性材料和涂料系统中。产品的应用包括有体育设备-从注塑和挤出部件如用于风轮机的转子叶片。Baytubes®的进一步创新应用是对铝和镁等轻质金属进行改性。
(3) 昭和电工建设碳纳米管装置
有发展前景的产品业务仍受到重视和建设生产装置。昭和电工公司于2009年1月26日宣布3月在该公司日本大分联合装置建设400t /a碳纳米管装置。该装置生产由昭和电工开发的新等级碳纳米管, 应用于树脂复合材料, 装置将于2010年投产。新等级碳纳米管采用昭和电工公司的催化剂和合成技术来开发, 预计将应用于半导体和硬盘媒体部件设施用的防静电塑料壳体。
昭和电工公司与美国Hyperion催化国际公司已签署专利交叉技术许可和供应协议, Hyperion催化国际公司拥有许多关键的专利, 可与这类材料相匹配, 并应用于碳纳米管领域, 包括用于树脂复合材料。
(4) 阿科玛公司发展碳纳米管母料业务
法国阿科玛公司于2009年2月16日宣布加快发展碳纳米管母料业务。添加碳纳米管拓展了该公司的Graphistrength母料应用范围, 可在较低温度下提供改进的可加工性, 据称, 采用低的碳纳米管含量就可取得明显的静电消散性质。它们可采用挤塑和注塑成型方法加工处理。Graphistrength母料现适用于各种基质材料包括聚碳酸酯和尼龙6、11和12使用。
阿科玛公司还推出通用级母料Graphistrength C M12-20, 它可稀释在各种热塑料材料中, 包括尼龙、聚酯和聚碳酸酯。阿科玛公司与拜耳材料科技公司和Hyperion公司一起被列为碳纳米管领域的领先者之一, 该公司还开发了新的特种母料Graphistrength C E1-20, 可应用含氟的弹性体基质中。其结果, 采用少量碳纳米管就可取得极好的静电消散和良好的机械性能。另外, Graphistrength C M2-20是一种特定的母料, 可用于热熔性胶粘剂中, 具有好的静电消散性能。
2 碳纳米管典型应用进展
(1) 纳米管使放射性传感器退出历史舞台
在美国国土安全部先进研究计划局的赞助下, 美国小企业创新研究 (SBIR) 合同的接收人表示, 利用纳米管场发射来取代放射性同位素实现的“绿色”烟幕报警离子发生器, 就可以消除“脏弹”材料的源头。
位于美国德州奥斯汀的Applied Nanotech公司以及位于马萨诸塞州Bedford的Sionex公司从美国国土安全部获得了基金支持, 以利用碳纳米管阵列产生的电子场发射来生产微型、安全、高性能的传感器, 从而取代利用放射性同位素制成的粒子阿尔法射线。
Applied Nanotech和Sionix的联合开发努力的目标是, 利用碳纳米管发射器提供把样本离子化的一种安全、廉价、高性能的替代方法, 从而集成在各种离子迁移率频谱仪的气流通道前面。Applied Nanotech和Sionix声称已经在原理上证明, 碳纳米管发射器不必采用放射性材料, 就能够完成所有必需的离子化以及辨认步骤。
离子迁移率频谱仪的工作原理是, 当气体分子通过传感器时, 气体分子被离子化, 然后, 通过它们的原子重量对它们进行辨别。在对样本进行离子化之后, 各个带电分子通过漂移管被吸引在一起, 在漂移管中这些分子根据它们的原子重量展开, 从而允许那个位置来揭示他们对一体化探测器的特征。Applied Nanotech公司的碳纳米管取代放射性材料完成了离子化的步骤, 从而利用Sionex公司的一体化微分迁移率频谱仪 (DMS) 来安全地分离和探测气体粒子。
碳纳米管采取集中电场的方法来完成离子化的步骤, 类似于闪电棒的原理, 从而允许在室温以及大气压力下发射电子。当电子通过空气样本时, 它们把气体分子离子化, 因此, 提供使它们被吸引至传感器以及探测器所需要的电荷。碳纳米管可能根据特殊传感器的需要而给予正电离或负电离。
(2) 耐用廉价Unidym碳纳米管薄膜触摸屏
ArrowheadResearch公司的子公司Unidym于2009年6月宣布其透明碳纳米管薄膜将用于任天堂的手持视频游戏机等消费电子产品, 为其提供更经久耐用的触摸屏, 这种采用透明薄膜的触摸屏比钢更坚固。Unidym希望这种碳纳米管薄膜能够打开这个超过10亿美元的透明电子产品市场。
该公司的第一项产品是采用便宜的按卷制造 (roll-to-roll manufacturing) 方法在室温生产的透明薄膜, 取代目前的平板显示器、触摸屏、太阳能电池和固体白光照明等产品中使用的透明氧化铟锡 (indiumtinoxide, ITO) 薄膜需要的真空室溅射工艺。
Unidym公司的第二种产品将是使用碳纳米管的薄膜晶体管, 使室温喷雾电子产品能够采用印刷技术在廉价衬底上制造, 而不用采用芯片的电子产品需要的真空淀积技术。
Unidym也在开发用于燃料电池的碳电极, 并对graphene薄膜进行研究。
(3) 拜耳将使纳米管应用于风力涡轮叶片
拜耳公司将使纳米管应用于风力涡轮叶片。该公司在2008年12月16日召开的创新会议上披露, 碳纳米管可使风力涡轮叶片长度增加到超过目前的60m限制值, 并可使碳纤维/环氧树脂材料基质大大减重。
由拜耳材料科技公司制造的Baytubes材料在这一应用中的试验己在进行之中。据称, 使用少于20kg的Baytubes材料就可使叶片重量减轻高达3 t。这种Baytubes材料现已在德国南部拜耳子公司HC Starck的60t /a中型装置中生产, 但其产量有望提高, 现正在德国Leverkusen建设200t /a的装置。
(4) 碳纳米管可实现飞机结构表面裂纹自愈合
位于纽约圣特洛伊的伦斯勒理工学院的研究人员已验证了一种能使复合材料结构表面裂纹自愈合的修理技术。
基体内埋入纵横交错的导线, 在结构表面上形成X-Y格栅, 其上覆以碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料。通过导线的电脉冲以及碳纳米管能探测出导致格栅断裂的微小裂纹。
一旦确定了裂纹区域, 通过碳纳米管来传递一种更强的脉冲电流, 由它加热的愈合剂混入环氧基体, 然后流入裂纹以阻止裂纹扩展。加热愈合剂使之流动的热量来自于纳米管具有的传导高强短脉冲电流的能力。
伦斯勒理工学院的研究团队也在开发可自动扫描结构裂纹、分层及其他缺陷的软件, 并采用可控制的高强脉冲电流来进行实时修理。
(5) 我国科学家设计出世界首个“纳米水泵” 让水分子排队过“隧道”
世界首个纳米尺度“小水泵”的设计于2007年10月在中国科学院上海应用物理研究所诞生。这个“纳米水泵”能驱赶水分子排成一串“单人”长队, 源源不断地飞快通过纳米碳管“隧道”——这可能为人类污水处理、海水净化找到更简捷易行的途径。借助于生物学的背景, 将蛋白质上的微弱电极“仿真”到纳米碳管的模型上, 让水分子在电场的牵引下, 列队通过细小到仅容单个水分子通过的纳米碳管。令科学家感到意外的是, 在纳米尺度下, 水分子排队过“隧道”的速度异常迅速——几乎是从经典流体力学估算出的流速的1万~10万倍。这对宏观尺度下的化学分离、水的净化、传感检测以及药物输运有着重要的应用。”
(6) 碳纳米管实现与金属电极焊接
上海交通大学微纳米研究院张亚非教授领导的课题组成功实现碳纳米管与金属电极的焊接, 在纳米器件加工技术研究方面取得了重要进展。
目前半导体工业加工器件的最小特征线宽约为65nm, 进一步缩小线宽无论在工艺的复杂程度还是加工成本上都将大幅度提高, 从而限制了更快、更小、更冷和更低价格电子器件的研制。近年来, 世界上许多科学家在进行利用纳米功能材料自下而上 (Bottom-Up) 构筑方法制作纳米器件的研究, 但是, 由于缺乏实现纳米材料与金属电极之间可靠结合的方法限制了该研究方向的发展。
张亚非教授课题组通过使用一个次兆声波超高频微幅振动的压头对处于金属表面上的碳纳米管施压, 成功地将碳纳米管埋入和焊接到金属电极上, 形成可靠的电接触连接和键合。实验证明, 这种碳纳米管与金属电极之间的纳米焊接处具有很强的机械强度, 利用碳纳米管材料焊接构成的纳电子器件性能优越;他们还通过进一步的实验证明了, 该技术不但适用于许多种一维纳米材料如Si、SiC纳米线等与金属电极之间的键合, 而且可应用于其它纳米材料与金属之间的键合与复合加工工艺。因此, 纳米焊接技术突破了纳米器件加工技术的瓶颈, 解决了利用Bottom-Up方法制备基于纳米材料的纳米器件的一项关键纳米制造技术。
(7) 碳纳米管薄膜“扬声器”
清华大学物理系范守善院士、姜开利副研究员领导的科研小组2008年12月的一项研究发现, 碳纳米管薄膜在有音频电流通过时, 会具有类似“扬声器”的功能。这些“扬声器”的厚度只有几十纳米, 而且是透明、柔软和可伸长的, 它们可以被裁剪为任意形状和大小。
研究表明, 向非常薄的碳纳米管薄膜中通以音频的交流电, 可以发出很响的声音。进一步的研究发现, 这种现象源自一种热声效应。理论分析表明, 由于该碳纳米管薄膜具有非常小的单位面积热容, 使得这种热声效应变得非常强, 发声频率范围非常宽 (可以从100Hz到100kHz) 。基于这种效应, 该研究小组制备出多种实用的碳纳米管薄膜扬声器。这种扬声器仅有几十纳米厚, 具有透明度高, 耐弯折, 可拉伸, 无磁等优点, 并且可以任意裁剪成各种形状, 悬空或铺在任意形状的绝缘基底上, 例如墙壁、房顶、柱子、窗户、旗帜、衣服等等, 面积可以任意大。这种结构和制备工艺非常简单的薄膜扬声器, 将改变传统音响声学的设计思路, 在传统的扬声器产业中开辟出新的方向。
(8) 日本东京大学科研人员开发出可延展的电路
2008年8月, 来自日本东京大学的科研人员则开发出了一款可延展的电路板。这款产品由一种新型的弹性材料制成, 这种材料可以像橡胶一样拉伸延展, 最大可以延展至原始尺寸的1.7倍, 而不会影响任何的性能。这款材料的奥秘在于其中整合了新型的碳纳米管聚合物。之前虽然也有科研人员做过类似的研究, 但是纳米管的密度过高时就会导致材料变硬。而此次东京大学的研究人员则通过将纳米管与包含带电粒子的离子性液体混合在一起来解决了这一问题。这就使得这款材料的导电性能比目前任何一款商品化的碳纳米管聚合物都要高出500倍。
这种材料可以被应用于高科技服装上, 这样电路板就可以更好的贴附在衣服上。另外, 这种材料还可以被应用于机器人领域, 用来制造电子皮肤, 从而使机器人获得更为敏感的触觉。
(9) 碳纳米管基铁电场效应晶体管有优异存储特性
碳纳米管独特的结构和电学性质为其电子器件应用提供了巨大潜力。最近几年来, 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室表面物理实验室/研究部SF1组将碳纳米管的优点和铁电薄膜的性质相结合, 与微加工实验室合作, 研制成功了以外延铁电薄膜为栅介质的单壁碳纳米管场效应晶体管, 开发出一种基于碳纳米管的铁电场效应晶体管存储器件单元。其基本原理是, 利用铁电薄膜的极化对碳纳米管导电通道电流进行调制。实验表明, 通过在漏极/栅极施加脉冲信号, 能够向铁电薄膜写入不同方向的极化状态;而测量通过器件的电流, 就能够非破坏性地读取事先写入铁电薄膜中的极化状态, 从而实现了铁电场效应晶体管的存储功能。
他们首次展示了这种非易失存储器件的非破环性读取特性, 而且器件可以进行大量多次的可重复性操作。由于单壁碳纳米管超细尺寸导致的电场增强效应, 存储器可以在小于1伏的操作电压下工作。
(10) 碳纳米管新技术有望永久保存数据
研究人员如今研制出一项基于碳纳米管的新技术, 从而能够永久保存个人的数据信息, 就像储存在计算机硬盘和DVD中的数据那样。这项技术一旦投入使用, 将有望永久保留那些包含有人类思想和信息的全部数据档案。
为了找到一种更为持久地存储数据的方法, 一个由物理学家和材料学家组成的团队将研究的范围缩小到了纳米尺度。研究小组开发出了一种技术, 能够将只有几十亿分之一米宽的铁单晶放入一个空的纳米管的内部。就像钻石一样, 纳米管是现有最稳定的结构之一。一旦进入纳米管, 铁的纳米晶体便担当起了数据位的作用——作为对电流的响应, 它们能够从纳米管的一端滑动到另一端, 同时在这一过程中, 在计算机的二进制语言中寄存一个“1”或一个“0”。
这项技术还需要更多的测试, 但是从实验室和理论模型得到的结果都显示了“高度的信心”, 表明这种装置能够无限期地保存数据。
(11) 碳纳米管开辟仿生学新时代
碳纳米管开辟仿生学新时代壁虎飞檐走壁、倒挂金钟的能力让人类叹为观止。如今, 美国戴顿大学教授戴黎明和佐治亚理工学院教授王中林、曲良体博士等合作, 用纳米材料研制出一种仿生壁虎脚, 它们既能在垂直的表面上轻松吸附重物, 也能从不同角度轻松取下。
壁虎是一种攀爬型动物, 能攀爬极平滑与垂直的表面, 比如越过光滑的天花板。最近的研究揭示, 壁虎的脚趾上附有数百万直立的微绒毛, 每个微绒毛末梢都有纳米分支。当数百万这样的微绒毛与物体表面接触时, 它们之间会产生强大的相互作用力, 即范德华力, 这种力的大小远远超过了壁虎自身的重量, 因此, 壁虎能够轻松自如地倒悬挂于天花板或墙壁表面。然而, 壁虎不仅可以任意吸附在这些表面上, 而且还能随意离开物体表面。
戴黎明和王中林对这个问题产生了兴趣, 在他们的指导下, 曲良体创新地应用结构可控的直立型碳纳米管阵列, 成功研制出具有强吸附和易脱离性能的碳纳米管仿生壁虎脚, 使得仿生壁虎脚向实际应用迈出了最关键的一步。
王中林介绍说, 碳纳米管是由纯碳原子组成的管状结构材料, 管径大小约为头发直径的万分之一, 因此具有尺寸小、重量轻、柔软灵活、机械强度高、电学和热学性能优异等特点。利用低压化学气相沉积方法, 曲良体等将碳纳米管有机组成高密度、垂直取向的阵列膜, 同时在其表面分布有任意取向的碳纳米管。每平方厘米的阵列面积可包含100亿个以上的直立碳纳米管, 这种密度远远高于壁虎脚绒毛末梢的纳米分枝密度。更重要的是, 这些在水平方向上任意取向的碳纳米管可通过与物体表面的相互作用而取向。因此, 一方面, 当与物体表面接触时, 在平行于表面的方向有更多接近线状接触的作用“面”, 从而在沿接触表面的方向上产生更强的相互作用力, 单位面积的吸附力几乎是壁虎脚所能产生力的10倍;另一方面, 在垂直于物体表面的方向上, 与表面接触的碳纳米管在外力的作用下可逐点脱离表面, 吸附力因此大大减少, 从而实现轻松脱吸附。
(12) 追踪碳纳米管在活体内传输路径
碳纳米管在向肿瘤递送成像和治疗性药剂方面具有巨大的潜能, 但它在标靶肿瘤方面还需要更好地量化。美国科学家2008年10月研发出了一种新型显微镜, 能够测量来自活小鼠的拉曼分光镜信号。利用这种非入侵性工具, 科学家能够追踪碳纳米管在小鼠体内的传输路径。之前, 科学家曾利用正电子发射X线断层摄影术 (PET) 来追踪放射性标记的纳米管在体内的传输, 但这种技术需要使用昂贵的放射性同位素和扫描设备。
在研究中, 美国斯坦福大学癌症纳米技术中心 (CCNE-TR) 的Sanjiv Gambhir和同事利用新近研发的新型拉曼显微镜, 追踪了2组不同的碳纳米管在活小鼠体内的传输。其中一组纳米管携带着肿瘤标靶缩氨酸RGD, 另一组无任何附加功能。结果, 研究人员追踪到了两种碳纳米管的运输差别。虽然两组纳米管在肿瘤中的积聚都显示了最初的峰值, 但肿瘤中的非靶向纳米管的浓度在注射后20min就开始下降。与此相反, 靶向纳米管的浓度在注射后至少72h仍然保持较高值。靶向纳米管的动物实验显示, 肿瘤在注射后2 h即容易被观察到, 并能持续至少72h。这些结果与利用放射性标记的纳米管和PET成像技术获得的结果相一致。
参考文献
[1]Chemical Week, 2007-2009年.
[2]Chemical Engineering News, 2007-2009年.
碳纳米管的应用前景 篇3
关键词：单壁碳纳米管；多壁碳纳米管；差异
中图分类号：TQ342.7 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0014－02
碳纳米管是一维纳米材料，可称为纳米材料之王，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域，是国际上研究的热点及难点。
碳纳米管按照石墨烯片的层数简单分类为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。此外二者还有其他差异，现综述如下：
1发现时间
单壁碳纳米管：1993年S.Iijima［1］等和DS.Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
多壁碳纳米管：1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima［2］在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，现在被称做的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。Iijima发现的碳纳米管最小层数为2，含有一层以上石墨片层的则称为多壁碳纳米管。
2结构
单壁碳纳米管：由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小、缺陷少，具有较高的均匀一致性。SWCNTs的直径一般在1～6 nm，目前观察到的SWCNT的最小直径约为0.33 nm，并已能合成直径0.4 nm的SWCNTs阵列，直径达6 nm的SWCNTs也已有报道。一般认为，SWCNT的直径大于6 nm以后特别不稳定，容易发生SWCNT管的塌陷。而单壁碳纳米管的长度则可达几百纳米到几十微米。单壁碳纳米管的单层结构显示出螺旋特征，根据构成碳纳米管的石墨层片的螺旋性，可以将单壁碳纳米管分为非手性（对称）和手性（不对称）。
多壁碳纳米管：多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。多壁碳纳米管的层间距约为0.34 nm，外径在几个纳米到几百纳米，而已发现的最小内径为0.4 nm。其长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。
3工艺制备
单壁碳纳米管：激光蒸发法是制备单壁碳纳米管的一种有效方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有Fe、Co、Ni或其合金的碳靶制备单壁碳纳米管和单壁碳纳米管束，管径可由激光脉冲来控制。Iijima等发现激光脉冲间隔时间越短，得到的单壁碳纳米管产率越高，而单壁碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用CO2激光蒸发法，在室温下可获得单壁碳纳米管，若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸发烟流和含碳碎片的形貌，这一技术使得跟踪研究单壁碳纳米管的生长过程成为可能。激光蒸发（烧蚀）法的主要缺点是单壁碳纳米管的纯度较低，易缠结。
多壁碳纳米管：化学气相沉积法主要用于多壁碳纳米管的合成。其基本原理为含有碳源的气体（或蒸气）流经催化剂表面时分解，生成碳纳米管。常用的碳源气体有C6H6、C2H2、C2H4等。Yacaman等最早采用25%铁/石墨颗粒作为催化剂，常压下700 ℃时分解9%乙炔/氮气制得碳纳米管。Amelincks等采用Co为催化剂，乙烯为碳源得到螺旋状的碳纳米管，中国科学院物理所用化学气相沉积法大批量合成了排列整齐的碳纳米管，而且端口是打开的。
4应用及性能（电容）
单壁碳纳米管：能够严重破坏大肠杆菌等细菌的细胞壁，从而将它杀灭，将有助于解决细菌抗药性这一日益突显的问题。单壁碳纳米管其电容量一般为180 F/g，比多壁碳纳米管更高。其电容器功率密度可达20 kW/kg，能量密度可达7 W·h/kg。
多壁碳纳米管：没有相关的报道指明可以杀灭细菌。多壁碳纳米管其电容量一般为102 F/g。
以上是关于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管一些差异性的概括，然而二者均具有优异的力学性能、导电性能、热学性能、储氢性能等。
碳纳米管作为最重要的纳米材料之一，其研究越来越得到人们的高度重视，人们相信，碳纳米管在工业领域里大规模应用将在未来几年中出现，碳纳米管的研究也将对纳米技术的未来产生重大影响。
参考文献：
［1］Single－shell carbon nanotubes of 1－nm diameter. Iijima S, Nature, 1992, 363: 603～605.
［2］Helical microtubules of graphite carbon. Iijima S, Nature, 1991, 354: 56～58.
［3］邹莉.单壁碳纳米管及应用现状［J］.昆明冶金高等专科学校学报，2004（1）：21～23.
［4］顾书英，吴琪琳.碳纳米管应用研究的现状和未来［J］.同济大学学报（自然科学版），2002（2）：213～217.
（编辑：王昕敏）
碳纳米管的应用前景 篇4
纳米TiO2材料在废水处理中的应用及前景
摘要：综述了近几年纳米TiO2材料在有机废水、造纸废水、印染废水、无机废水处理中的应用情况,指出了纳米TiO2材料在废水处理领域中的研究进展,并提出发展趋势.纳米TiO2材料在度水处理方面具有广阔的应用前景.作 者：柳琴 作者单位：浙江建设职业技术学院,浙江杭州,311231期 刊：科技创新导报 Journal：SCIENCE AND TECHNOLOGY INNOVATION HERALD年，卷(期)：,“”(4)分类号：X703.1关键词：纳米TiO2材料 光催化剂 废水处理
碳纳米管的应用前景 篇5
1碳纳米管的非共价键修饰
碳纳米管的非共价键修饰就是利用碳纳米管和化合物之间相互作用,得到非共价键改性的碳纳米管。非共价键的改性不会破坏碳纳米管的结构,因此其优异的电学性能得以保留。这种改性方法的驱动力是范德华力或者 π-π键相互作用力,属于物理吸附。非共价键改性的化合物主要有表面活性剂、芳香族化合物以及高聚物等。
1.1表面活性剂改性
表面活性剂主要分为阴离子、阳离子以及非离子型表面活性剂。表面活性剂主要利用其类似碳纳米管的疏水性而疏松地吸附在碳纳米管表面,吸附效果受温度影响,在低温下易解离。Antaris等[6]利用表面活性剂和碳纳米管的相互作用,采用不同两亲性嵌段聚合物来分离金属和半导体性质的碳纳米管。因为阴离子型表面活性剂十二烷基磺酸钠和单壁碳纳米管相互作用后使得碳纳米管的电子排布发生改变,在不同pH条件下,利用密度梯度超速离心法得到的线性嵌段聚合物分离金属性和半导体性质的碳纳米管纯度达到99%,这种技术有望应用于未来分散分离技术,得到同一性质的碳纳米管,有助于碳纳米管的实际应用。另外,Flavel等[7]使用阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠,采用凝胶过滤法来分离15种不同种类的纳米管。在不同性质的碳纳米管的应用上,Murakami等[8]将分离出的金属性和半导体性的单壁碳纳米管应用于光热转换器件。分析显示,具有半导体性质的单壁碳纳米管产生的活性氧比金属性的单壁碳纳米管高,而光热转化效率比金属性的单壁碳纳米管低。并且半导体性的单壁碳纳米管的光动力效应可作为杀死癌细胞的一种手段。因此这项研究有利于单壁碳纳米管在癌症治疗及能源开发方面的应用,而且作为光热转换器件的基体, 在未来能源领域也有研究前景。
1.2芳环化合物改性
苯环以及芳香族化合物(如芘基团﹑含苯环的聚合物以及能与碳纳米管有物理作用力的聚合物)与碳纳米管容易形成π-π键相互作用,从而达到优异的分散碳纳米管的效果。 Shi等[9]利用多巴胺在微碱性的条件下发生自聚合的性质来改善碳纳米管的亲水性。如图1所示,当把碳纳米管和多巴胺分散在水中时,多巴胺分子和碳纳米管因为 π-π键的相互作用而自主吸附在 碳纳米管 管壁上。于是,在微碱性 条件下,多巴胺自动聚合在碳纳米管表面而形成包覆薄膜。这种聚多巴胺是带有苯环的高聚物,能和碳纳米管完美地形成物理作用力,在水中分散一周而不聚集,亲水性超强。在应用方面,这种复合物作为基质,采用激光解吸/电离迁移聚集质谱法创新性的检测到多种水溶性的小分子。
Cogan等[10]利用含有苯环的非天然多肽对碳纳米管进行改性,由于多肽同时具有亲水性和疏水性,因此赋予了碳纳米管更好的亲水性、疏水性以及生物相容性。这项研究利用合成的非天然多肽修饰碳纳米管,不再局限于自然界已有的多肽化合物,有助于拓宽碳纳米管在生物方面的应用。
芘基团改性是物理改性碳纳米管的一种优良方法,在这方面已有许多有益的探索。芘基团在碳纳米管管壁有很强的吸附作用,碳纳米管经含有芘基团的化合物物理改性后, 也具有这种化合物的性质。Guo等[11]用带有芘基团和脒基团的聚合物改性得到可用于检测二氧化碳的碳纳米管。他们将改性的碳纳米管超声分散在二 氯甲烷和 水的溶剂 中。 因为芘基团和碳纳米管之间的物理吸附作用以及聚合物的疏水性,所以这种改性碳纳米管可很好 地分散在 二氯甲烷 中。由于脒基团和二氧化碳反应生成一种带正电亲水性的基团,使得聚合物转变成亲水性,改性的碳纳米管便自动转入到水相中。当通入氮气后,排出二氧化碳,聚合物重新转变成疏水性。该改性碳纳米管可作为检测二氧化碳的优良指示剂应用于实际生产中。同样是芘基团的物理吸附作用, Yu等[12]合成了一种含有羧基阴离子的水溶性六环柱芳烃, 然后将其与含有芘基团带正电的分子结合,因为正负电荷吸引而形成一个结合分子(图2)。当pH<7时,碳纳米管和结合分子因为物理作用力形成均匀分散的水相。当pH>7时, 碳纳米管和结合分子自组装成一个囊泡。该项研究首次实现了通过pH的改变达到碳纳米管在均匀分散和形成自组装囊泡间相互转化,在碳纳米管的自组装领域取得了跨越性的进步。同时,水溶性六环柱芳烃在超分子聚合物、纳米电子学、传感器、药学和基因传递系统中有潜在的应用。
Apartsin等[13]利用含有芘基团的核酸以及在碳纳米管修饰的羧基上接枝一个新的基团这两种修饰方法,探讨功能化的碳纳米管对细胞的毒性,探索了碳纳米管在生物医药方面的应用。
1.3聚合物非共价改性
有些高聚物和碳纳米管之间有相互作用力,也能对碳纳米管进行改性。例如Soll等[14]利用自由基共聚的方法使N环丙烯丙烯酰胺和1-乙基-3-乙烯基咪唑溴聚合成高分子聚合物。这种聚合物会通过物理作用吸附在碳纳米管表面,让碳纳米管均匀分散在水中。在热和溴化钾的共同作用下聚合物会脱离碳纳米管,碳纳米管继而发生聚集,脱离均匀分散。去除溴化钾后常温下超声,碳纳米管再次均匀分散。这两种实验现象显示出碳纳米管和高聚物的复合物具有溴化钾检测这一功能,同时这种灵敏检测可以推广到富勒烯、石墨烯等碳纳米结构。类似地,Li等[15]利用咪唑盐物理复合在碳纳米管表面,然后原位形成氟化铁纳米粒子,研究表明这种复合物可作为锂离子电池的阴极材料,为碳纳米管在电极材料上的应用取得了突破。
还有一些生物分子和碳纳米管有相互作用,如DNA等。 Kang等[16]利用单链DNA分子和碳纳米管的静电作用将其吸附在碳纳米管表面,在碳纳米管应用于生物传感器以及遗传学领域做出了贡献。
2碳纳米管的共价键修饰
共价键改性碳纳米管是利用化合物和碳纳米管形成新的化学键,同时还可以引入新的基团,赋予碳纳米管新的性能,拓宽了碳纳米管的应用范围。由于形成了新的化学键, 因此共价键修饰比非共价键修饰更加稳定。共价键改性会形成五元环或者七元环,因此这种方法破坏了碳纳米管原有的结构。共价键改性按照化学反应类型主要分为化学氧化法、亲电加成以及自由基改性等。
2.1自由基改性
自由基改性利用化合物产生的活泼基团与碳纳米管结合成稳定的化学键而达到在碳纳米管表面接枝新的化学基团的目的,例如芳香 偶氮盐、叠氮盐、重氮盐等。Dionisio等[17]采用叠氮基团通过偶极环加成反应将穴状配体分子修饰到碳纳米管上,形成一个高稳定性的液体检测系统,同时实验中验证性地检测到低浓度肌氨酸乙酯盐酸盐溶液。同理,接枝其他特殊功能基团,则可以检测其他分子。这项研究使碳纳米管在分子探针领域取得了长足的发展。Klinke等[18]利用对氨基苯酚,使苯胺基与亚硝酰氟硼酸盐反应转化成芳香偶氮盐,从而使苯酚通过化学反应连接上异羟肟酸。 当形成共价键时就在碳纳米管上引入了新的功能基团,异羟肟酸和金属氧化物有很强的吸附作用,这样碳纳米管可选择性吸附在氧化铝表面。该研究为碳纳米管自组装成高性能的场效应晶体管提供了可能。Boul等[19]利用十二烷氧基对重氮四氟硼酸苯与碳纳米管反应,得到导电性的碳纳米管。 修饰后的碳纳米管在有机溶剂中有良好的分散性,退火处理后恢复原有碳纳米管特性。这种可逆转换提高了碳纳米管在导电领域及半导体领域的应用。Lee等[20]利用3-叠氮-3脱氧胸苷和全氟碘辛烷在光照下产生自由基,将其接枝在碳纳米管的两端,使得碳纳米管一端疏水一端亲水,分散在溶剂中时,性质相同的一端会因为分子间作用力而聚集,从而为碳纳米管的自组装提供了可行性,使碳纳米管在药物载体及微纳反应器方面的应用成为可能。
Yang等[21]利用自由基聚合在碳纳米管表面接枝聚丙烯酸,然后采用共沉淀法在其上沉积四氧化三铁纳米粒子,并且物理吸附上药物,可以达到定向治疗的目的(图3)。由于四氧化三铁具有磁性,因此利用外加磁场可以使碳纳米管定向移动,同时亲水性的碳纳米管会将所载药物带到指定的位置。这项研究使碳纳米管在癌症靶向治疗领域具有潜在应用。
Sohn等[22]针对碳纳米管内部sp2杂化的碳原子,采用亲电取代反应引入活性基团,然后聚合接枝超支化的聚醚酮, 接着进行磺化反应。最终得到的碳纳米管能较好地分散在水中,且其薄膜具有良好的电催化活性,可以应用于燃料电池和传感器领域。
Engel等[23]研究了在碳纳米管表面采用分段紫外光照射合成1,2-二噻烷的技术。将二硫化物和碳纳米管在一定波长的紫外灯下照射,碳纳米管表面会接枝上硫醇,然后改变波长照射并进行热解等一系列的化学反应,接枝的硫醇会发生脱离形成1,2-二噻烷。Engel等还对其原理进行了初步探索,指出单壁碳纳米管的作用类似于催化剂。今后通过进一步研究提高转化效率,可使其用于生产1,2-二噻烷。
2.2化学氧化法
化学氧化法利用强氧化性把碳纳米管的五元环以及七元环打开形成羧基、羟基以及环氧基等基团。接枝上这些小基团后可以在其上进行后续的化学反应,连接上新的化学基团,赋予碳纳米管新的性能。Murugan等[24]在碳纳米管的表面修饰上羟基,然后在羟基上进行后续的化学反应,使碳纳米管同时具有亲水性和疏水性。多壁碳纳米管在高锰酸钾作用下变为羟基化的多壁碳纳米管,然后与3-甲基丙烯酰氧基正丙基三甲氧基硅烷在氮气保护下反应,这样就可以与含有烯键的有机分子发生聚合。与乙烯基苄基氯聚合反应完全后,用三乙胺处理,得到最终的产品。元素分析显示,产物含有修饰的氧元素、氮元素、硅元素以及氯元素。分散实验结果显示修饰后的碳纳米管在氯丁烷、甲苯、四氢呋喃、二甲基亚砜和水中都能均匀分散8个月。同时,改性碳纳米管含量为4%的复合物的电导率比原始碳纳米管提高78倍,取得了非常大的突破。这种新的两亲性碳纳米管在电气、生物医学和生物传感器领域有潜在应用。
Wang等[25]在碳纳米管表面的羧基上利用化学反应接枝一种温敏性聚合物,为碳纳米管在温度指示剂方面做出了贡献。接枝后的碳纳米管对温度变化有灵敏的响应,在温度较低时是 亲水性的,温度升高 后则变为 疏水性的。Dayani等[26]使碳纳米管表面的羧基和长链伯胺磷脂形成酰胺键,然后和另外的磷脂分子混合超声,借助分子间作用力形成磷脂双分子层,然后在凝胶相转变温度自动嵌入膜蛋白α溶血素形成仿细胞膜结构。这种仿生纳米结构为碳纳米管在仿生材料以及生物医药领域提供了平台。
2.3亲电加成
Maeda等[27]利用亲电加成和亲核取代反应在单壁碳纳米管表面接枝不同的烷基。首先单壁碳纳米管和烷基锂亲电加成反应,之后反应物和烷基溴化铵发生亲核取代反应, 从而在单壁碳纳米管表面接枝两个不同的烷基链(图4)。同理,单壁碳纳米管和锂复合后可以与卤 代烷或者 氯硅烷反 应,直接接枝上新的烷基及硅烷基团,这样修饰的新烷基基团不是单一基团,而是同时接枝多种不同的基团,拓宽了碳纳米管的应用范围。
本文中提及的碳纳米管修饰方法及其优缺点总结于表1。
3展望
本文总结了近几年关于碳纳米管最新的修饰方法,以及在实际应用方面的研究。目前,改性后的碳纳米管在溶剂中的分散性都有一定的改善,但在实际应用中还存在以下问题有待深入研究。
(1)寻找最优的改性方法。碳纳米管在改性后分散性大大加强,但是目前已有的物理改性方法不稳定,修饰物和碳纳米管极易分离,而化学修饰的碳纳米管接枝率过低,达不到良好的改性效果,同时破坏了碳纳米管原有的结构。寻找稳定的物理改性方法或增大接枝率方能使碳纳米管在实际应用方面具有更广阔的应用前景。
(2)保持碳纳米 管的方向 一致性。碳纳米管 是一维材 料,沿管壁方向电子传导性能优异,但实际研究中很难保证碳纳米管排列方向的一致性,因此其在电学领域的研究需进一步加强。
(3)作为药物治疗与载体的可行性。在生物医药领域, 虽然取得了杀灭癌细胞以及携带特种药物等成果,但均是体外实验研究。在实际应用于人体时,还应考察碳纳米管作为纳米材料对细胞的生物毒性。
摘要：碳纳米管以其独特的一维结构,优良的力学、电学、光学等性能,受到学术界的广泛关注。但是在实际应用中由于其纳米材料的强大范德华力,碳纳米管很容易聚集在一起。同时碳纳米管不溶于水及有机溶剂,所以限制了其在实际中的应用。因此要对碳纳米管进行表面改性,使其在溶剂中能良好地分散。主要介绍近年来碳纳米管的改性方法,以及在实际应用方面的研究。
碳纳米管的场发射特性的数值模拟 篇6
自从1991年Iijima等在英国《自然》杂志发表了关于多壁碳纳米管的研究之后, 碳纳米就吸引了世界上很多研究小组的兴趣, 研究内容涵盖了从基础理论到科技应用前景的广大领域[1]。由于碳纳米管具有低维度使得他们拥有很多独特的物理属性, 这使得他们具有广泛的应用前景。在实验室中, 人们已经使用碳纳米管制作出很多的原型纳米器件。因此, 理解这些新奇物理属性以及他们对于纳米器件的影响是必要的。
人们在实验中已经证实了碳纳米管非常适合于场发射方面的应用, 这和它们的一些独特的物理性质有关, 如小尺度, 高纵横比, 高温稳定性, 良好的导电性以及结构强度等。人们已经利用碳纳米管优越的场发射属性做出了一些原型器件, 这些器件包括X射线管[2], 扫描X射线源[3], 平面显示器等[4,5,6]。使用碳纳米管的器件之所以具有优秀的发射特性, 是由于碳纳米管具有很低的功函数和在其表面形成的高局域电场, 通过隧道效应电子可以比较容易穿过势垒而逸出表面, 形成场发射电子。
目前, 人们已经可以在衬底上以指定的高度、半径、间距等生长碳纳米管。但是人们还没有完全理解电子发射的精确过程。关于电子发射过程更深一步理解的研究主要集中在实验和数值模拟上[7,8]。长期以来人们认为当临近的发射体的间距大于他们高度的两倍时, 场屏蔽效应是可以忽略不计的[9]。本文中我们通过对一个理想的无限长一维碳纳米管阵列进行了二维的数值模拟, 并探讨了碳纳米管的几何结构对于其场发射性能的影响。
1 模型与方法
在本文中我们通过使用有限元方法 (FEM) 对拉普拉斯方程求解来实现对碳纳米管的二维数值模拟, 使用这种方法使得我们可以得到碳纳米管表面任意一点的电势和电场。图1给出了一维碳纳米管阵列的示意图。在我们的计算模型中, 碳纳米管被处理为良导体。排成一列的碳纳米管具有统一的高度h和半径r, 其尖端被处理成球形, 碳纳米管被放置在接地的阴极上, 阳极和阴极的距离为D。碳纳米管之间的距离是均匀的, 间距用d表示。
在计算中我们取碳纳米管的高度为1μm, 半径为2nm;这些参数和前人的工作相同[10], 以便于进行比较。理论分析表明电场在碳纳米管的尖端附近比较集中, 这种电场增强效应和碳纳米管的尖端几何结构有关, 通常用场增强因子β来定量表示。碳纳米管的半径越小, 场增强因子越大;反之亦然。
2 计算结果与分析
我们使用了一个简单的二维模型计算了一个包含3个碳纳米管的阵列, 碳纳米管之间的距离为0.5μm, 均匀分布在一条直线上。图2中给出了计算得到相应的的电场分布。图中的实线表示等势线, 背景中的表面图代表电场强度的大小。阳极距离碳纳米管发射极较远, 因此它对电场分布的影响较小, 并且可以认为对各个碳纳米管发射极效果相同。我们的计算结果显示, 居于中心的碳纳米管附近的电场要比外边两个碳纳米管的电场弱, 这点可以用静电场的屏蔽效应解释。在图2中我们可以清楚的看到电场的屏蔽效应是很明显的。Nilsson等人通过二维数值模拟研究了碳纳米管的点场屏蔽效应, 得出的结论是当碳纳米管之间的距离是其高度的两倍时, 总的电场屏蔽效应最小, 碳纳米管的场发射表现最优[10]。Smith等人做的三维模拟结果认为二维模拟低估了电场屏蔽效应, 最优的间距应该是高度的3倍[11]。
一维碳纳米管阵列的示意图, 碳纳米管的高度为h, 半径为r, 碳纳米管放置在接地的阴极上, 阳极和阴极的距离为D
计算得到的电场分布, 实线表示电场等势线, 表面图则表示电场强度的大小
为了得到电场屏蔽效应和碳纳米管间距的关系, 我们使用有限元方法结合周期性边界条件对一维碳纳米管阵列进行了数值模拟。在我们的计算中, 碳纳米管间距的变化范围为0.1μm到6μm, 相应于d/h取值范围为0.1到6, 碳纳米管高度固定为1μm。我们把计算得到的碳纳米管阵列的电场分布中碳纳米管尖端表面正上方一点的电场记为局域电场强度EL。我们还计算了在相同条件下, 可以得到单个碳纳米管尖端表面正上方的电场强度EI。电场屏蔽的百分比就定义为η= (EI-EL) /EI。在图3中我们画出了屏蔽百分比随d/h的变化关系。从图中可以看到屏蔽效应随d/h的增加而减小。在d/h等于2时, 电场屏蔽百分比为4.3%。当d/h增加到3时, 电场屏蔽百分比减小到1.1%, 这意味着阵列中的碳纳米管的场发射效率已达到了其最优表现的99%。当d/h进一步增加到4的时候, 屏蔽百分比减小到0.2%。因此, 当碳纳米管阵列的间距大于碳纳米管高度的3倍时, 我们认为电场屏蔽效应可以忽略不计。
为了得到最大的场发射电流密度, 我们必须考虑电场屏蔽效应的影响。减小碳纳米管的间距从而可以增加单位面积上的发射极的个数, 这是增大场发射电流密度的简单有效方法。但是减小碳纳米管的间距会引起屏蔽效应的增强, 从而降低场发射电流密度。因此, 需要找到一个最优的间距, 使得场发射电流密度最大。Fowler和Nordheim首先推导出了场致电子发射的定量方程:
对于一维无限长碳纳米管, 我们计算了场发射电流密度随d/h的变化关系, 计算结果如图4所示。从图中我们可以看到, 随着碳纳米管间距的变大电流密度急速增加。碳纳米管间距变大也就是其排列由紧密变为稀疏。当碳纳米管的间距接近其高度的三倍时, 场发射电流密度达到最大值。间距超过高度的三倍时, 电流密度开始缓慢下降。这种变化趋势可以作如下解释, 当碳纳米管间距较大时, 碳纳米管排列稀疏, 单位长度上的发射极比较少, 因而电流密度不大;而当碳纳米管间距比较小时, 碳纳米管排列紧密, 单位长度上发射极多, 但是发射极受到临近碳纳米管的电场屏蔽效应的影响大, 因而场发射电流密度也小。根据上面对屏蔽百分比的计算我们知道, 在碳纳米管间距大于高度的三倍时, 可以认为屏蔽效应忽略不计。因此, 我们可以看到在图4中, 当d/h>3时, 场发射电流密度随d/h近似线性减小。因此, 在一个一维的碳纳米管阵列构成的场发射器件中, 最有效的排列就是碳纳米管的间距为其高度的3倍, 此时场发射电流密度最大, 临近的碳纳米管的屏蔽效应产生的电场强度降低仅为1.1%。
3 结论
我们对一维碳纳米管阵列进行了数值模拟, 并研究了不同间距下电场屏蔽的影响。我们发现当碳纳米管之间的距离大于其高度的3倍时, 电场屏蔽效应就可以忽略不计。我们的计算结果表明当碳纳米管的间距等于其高度的3倍时, 碳纳米管阵列的场发射电流密度最大, 器件的表现最优。
摘要：本文利用有限元的方法对碳纳米管的表面电场强度进行了数值模拟, 计算了碳纳米管一维阵列在不同间距下的场发射电流。通过计算发现, 在碳纳米管一维阵列中当碳纳米管之间的间距小于碳纳米管高度的三倍时, 碳纳米管之间的场屏蔽效应随距离的增加而迅速衰减;当间距大于高度的三倍时, 场屏蔽效应随距离的增加而非常缓慢的降低。在碳纳米管一维阵列中当碳纳米管之间的间距等于碳纳米管高度的三倍时, 碳纳米管阵列的场发射电流密度最大。