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碳纳米管

碳纳米管(英语:Carbon Nanotube,缩写为CNT)是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产碳纤维的产物中发现的。它是一种管状的碳分子,管上每个碳原子采取sp2杂化,相互之间以碳-碳σ键结合起来,形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。

每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同,分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细,只有纳米尺度,几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽,碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

碳纳米管不总是笔直的,局部可能出现凹凸的现象,这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出现五边形的地方,由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端,就形成碳纳米管的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。

 

碳纳米管的性质

碳纳米管的分子结构决定了它具有一些独特的性质。由于巨大的长径比(径向尺寸在纳米量级,轴向尺寸在微米量级),碳纳米管表现为典型的一维量子材料,它的电子波函数在管的圆周方向具有周期性,在轴向则具有平移不变性,大大纯化了理论工作,并做出了一些预言。理论预言,碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻,且性质会随结构的变化而变化,可由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属;具有金属导电性的碳纳米管通过的磁通量是量子化的,表现出阿哈诺夫-波姆效应(A-B效应)。

碳纳米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。
碳纳米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。
(6,0),(10,2)和(10,10)构型的碳纳米管
(6,0),(10,2)和(10,10)构型的碳纳米管
紧束缚模型得到的碳纳米管能带结构,分别对应 (6,0)CNT zigzag金属性(10,2)CNT 半导体性(10,10)CNT armchair金属性
紧束缚模型得到的碳纳米管能带结构,分别对应 (6,0)CNT zigzag金属性(10,2)CNT 半导体性(10,10)CNT armchair金属性

力学性质

由于碳纳米管中碳原子采取sp2杂化,相比sp3杂化,sp2杂化杂化中s轨道成分比较大,使碳纳米管具有高模量、高强度。

碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中,决定强度的一个关键因素是长径比,即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1,而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上,是理想的高强度纤维材料。2000年10月,美国宾州州立大学的研究人员称[2][失效链接],碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍,重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。佛罗里达国际大学的学者使用原子力显微镜对单壁碳纳米管的测量表明其径向杨氏模量仅有几个到数十GPa[3]

莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 Pa的水压下(相当于水下18000米深的压强),由于巨大的压力,碳纳米管被压扁。撤去压力后,碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状,表现出良好的韧性[4][来源请求]这启示人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧,用在汽车、火车上作为减震装置,能够大大减轻重量。

此外,碳纳米管的熔点预计高达3652~3697℃。

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