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奈米碳管

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奈米結構材料（英語：Nanostructure）

奈米碳管（英語：Carbon Nanotube，縮寫為CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產碳纖維的產物中發現的[1]。它是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子採取sp2混成，相互之間以碳-碳σ鍵結合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為奈米碳管的骨架。每個碳原子上未參與混成的一對p電子相互之間形成跨越整個奈米碳管的共軛π電子雲。按照管子的層數不同，分為單壁奈米碳管和多壁奈米碳管。管子的半徑方向非常細，只有奈米尺度，幾萬根奈米碳管並起來也只有一根頭髮絲寬，奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。

奈米碳管不總是筆直的，局部可能出現凹凸的現象，這是由於在六邊形結構中混雜了五邊形和七邊形。出現五邊形的地方，由於張力的關係導致奈米碳管向外凸出。如果五邊形恰好出現在奈米碳管的頂端，就形成奈米碳管的封口。出現七邊形的地方奈米碳管則向內凹進。

奈米碳管的性質

奈米碳管的分子結構決定了它具有一些獨特的性質。由於巨大的長徑比（徑向尺寸在奈米量級，軸向尺寸在微米量級），奈米碳管表現為典型的一維量子材料，它的電子波函數在管的圓周方向具有週期性，在軸向則具有平移不變性，大大純化了理論工作，並做出了一些預言。理論預言，奈米碳管具有超常的強度、熱導率、磁阻，且性質會隨結構的變化而變化，可由絕緣體轉變為半導體、由半導體變為金屬；具有金屬導電性的奈米碳管通過的磁通量是量子化的，表現出阿哈諾夫－波姆效應（A-B效應）。

  • 奈米碳管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。
    碳奈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)構型的奈米碳管
    (6,0)，(10,2)和(10,10)構型的奈米碳管
  • 緊束縛模型得到的奈米碳管能帶結構，分別對應 (6,0)CNT zigzag金屬性(10,2)CNT 半導體性(10,10)CNT armchair金屬性
    緊束縛模型得到的奈米碳管能帶結構，分別對應
    (6,0)CNT zigzag金屬性(10,2)CNT 半導體性(10,10)CNT armchair金屬性

力學性質

由於奈米碳管中碳原子採取sp2混成，相比sp3混成，sp2混成混成中s軌域成分比較大，使奈米碳管具有高模量、高強度。

奈米碳管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而奈米碳管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學的研究人員稱[2][失效連結]，奈米碳管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有後者的1/6到1/7。奈米碳管因而被稱「超級纖維」。佛羅里達國際大學的學者使用原子力顯微鏡對單壁奈米碳管的測量表明其徑向楊氏模量僅有幾個到數十GPa[3]。

莫斯科大學的研究人員曾將奈米碳管置於1011 Pa的水壓下（相當於水下18000米深的壓力），由於巨大的壓力，奈米碳管被壓扁。撤去壓力後，奈米碳管像彈簧一樣立即恢復了形狀，表現出良好的韌性[4]。[來源請求]這啟示人們可以利用奈米碳管製造輕薄的彈簧，用在汽車、火車上作為減震裝置，能夠大大減輕重量。

此外，奈米碳管的熔點預計高達3652~3697℃。[5]

  • 平展的奈米碳管模型
    平展的奈米碳管模型
  • 稍捲曲的奈米碳管模型
    稍捲曲的奈米碳管模型
  • 捲曲的奈米碳管模型
    捲曲的奈米碳管模型
  • 嚴重捲曲的奈米碳管模型
    嚴重捲曲的奈米碳管模型

電學性質

奈米碳管上碳原子的P電子形成大範圍的離域π鍵，由於共軛效應顯著，奈米碳管具有一些特殊的電學性質。

常用矢量Ch表示奈米碳管上原子排列的方向，其中，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與奈米碳管的導電性能密切相關。對於一個給定(n,m)的奈米管，如果有2n+m=3q（q為整數），則這個方向上表現出金屬性，是良好的導體，否則表現為半導體。對於n=m的方向，奈米碳管表現出良好的導電性，電導率通常可達銅的1萬倍。 將石墨電極置於充滿氦氣或氬氣的反應容器中，在兩極之間激發出電弧，此時溫度可以達到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發，生成的產物有富勒烯（C60）、無定型碳和單壁或多壁的奈米碳管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量，可以調節幾種產物的相對產量。使用這一方法製備奈米碳管技術上比較簡單，但是生成的奈米碳管與C60等產物混雜在一起，很難得到純度較高的奈米碳管，並且得到的往往都是多層奈米碳管，而實際研究中人們往往需要的是單層的奈米碳管。此外該方法反應消耗能量太大。近年來有些研究人員發現，如果採用熔融的氯化鋰作為陽極，可以有效地降低反應中消耗的能量，產物純化也比較容易。

近年來發展出了化學氣相沉積法，或稱為碳氫氣體熱解法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態烴可以分解生成奈米碳管。這種方法突出的優點是殘餘反應物為氣體，可以離開反應體系，得到純度比較高的奈米碳管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節省了能量。但是製得的奈米碳管管徑不整齊，形狀不規則，並且在製備過程中必須要用到催化劑。目前這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的奈米碳管的結構，已經取得了一定進展。

除此之外還有固相熱解法等方法。固相熱解法是令常規含碳亞穩固體在高溫下熱解生長奈米碳管的新方法，這種方法過程比較穩定，不需要催化劑，並且是原位生長。但受到原料的限制，生產不能規模化和連續化。

另外還有離子或雷射濺射法。此方法雖易於連續生產，但由於設備的原因限制了它的規模。

奈米碳管的應用前景

碳奈米管的幾何學構造圖。可分為 zig-zag tubes、armchair tubes、chiral tubes 這3種類。

材料學

在奈米碳管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣奈米碳管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿奈米碳管，再把碳層腐蝕掉，就可以製備出最細的奈米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或奈米電子學器件中得到應用。有些奈米碳管本身還可以作為奈米尺度的導線。這樣利用奈米碳管或者相關技術製備的微型導線可以置於矽晶片上，用來生產更加複雜的電路。

利用奈米碳管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用奈米碳管材料增強的塑膠力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、遮蔽無線電波。使用水泥做基體的奈米碳管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響。奈米碳管增強陶瓷複合材料強度高，抗衝擊性能好。[6]奈米碳管上由於存在五元環的缺陷，增強了反應活性，在高溫和其他物質存在的條件下，奈米碳管容易在端面處打開，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。

氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲存又十分不方便。奈米碳管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用奈米碳管製作輕便的可攜帶式的儲氫容器。早期的研究報道了4.2 wt%的儲氫量[7]，不過後來的研究表明1999年刊載於《科學》（Science）的報告數據有誤[8][來源請求]，奈米碳管儲氫價值並不大。

生物學

奈米碳管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行奈米化學反應最細的試管。奈米碳管上極小的微粒可以引起奈米碳管在電流中的擺動頻率發生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的「奈米秤」[9]，能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的「奈米秤」。奈米碳管還用來構建各種微奈米器件，最成功的例子是用雙壁奈米碳管製作世界上最小的奈米馬達[10]，不過目前這類研究還停留在實驗階段，離應用還有一段距離。[來源請求]

電腦

根據《自然》（Nature）2013年9月25日報導，史丹佛大學開發出全球首台完全以奈米碳管（carbon nanotubes）所組成的電腦，並已經成功運轉，這台電腦叫作「Cedric」，目前還非常的簡陋，只具備基本功能，但卻可能發展成比現今任何一台矽晶電腦都快且更有效率的電腦。「Cedric」由178個電晶體所組成，每個電晶體有10~200個奈米碳管，總計有20億顆碳原子[11][12][13][14]。

電子顯微鏡下碳管微電腦晶片體的場效應畫面

在2019年，美國麻省理工學院的研究人員採用碳奈米管電晶體（Carbon Nanotube Transistors）成功研製出首款基於RISC-V指令集的16位元微處理器，名為「RV16X-NANO」。「RV16X-NANO」在16位元資料和定址上執行標準32位元長指令[15][16]，包含了14,000多個電晶體，是迄今為止由新興奈米技術製造的最先進晶片。它能夠執行一條「Hello，World！」程式，列印出：「你好，世界！我是 RV16XNano，以奈米碳管所組成」[17]。

觸控螢幕

奈米碳管可以製成透明導電的薄膜，用以代替ITO（氧化銦錫）作為觸控螢幕的材料。先前的技術中，科學家利用粉狀的奈米碳管配成溶液，直接塗佈在PET或玻璃襯底上，但是這樣的技術至今沒有進入量產階段；目前可成功量產的是利用超順排碳奈米管技術；該技術是從一超順排碳奈米管陣列中直接抽出薄膜，鋪在襯底上做成透明導電膜，就像從棉條中抽出紗線一樣。該技術的核心－超順排碳奈米管陣列是由北京清華-富士康奈米中心於2002年率先發現的新材料[18]。

2007~2008年間首次成功開發出奈米碳管觸控螢幕[19]，並由天津富納源創公司於2011年產業化[20][21]，至今已有多款智慧型手機上使用奈米碳管材料製成的觸控螢幕。

與現有的氧化銦錫（ITO）觸控螢幕不同之處在於：氧化銦錫含有稀有金屬「銦」，奈米碳管觸控螢幕的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氫氣體，不受稀有礦產資源的限制[22]；其次，鋪膜方法做出的奈米碳管膜具有導電異向性，就像天然內置的圖形，不需要光刻、蝕刻和水洗的製程，節省大量水電的使用，較為環保節能。工程師更開發出利用碳奈米管導電異向性的定位技術，僅用一層奈米碳管薄膜即可判斷觸摸點的X、Y座標；奈米碳管觸控螢幕還具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性，可以製做出曲面的觸控螢幕，具有高度的潛力可應用於穿戴式裝置、智慧傢俱等產品。

延伸閱讀

參看

參考文獻

  1. ^ S.Iijima, 自然 (期刊), 354（1991）,56.
  2. ^ J.Hone, B.Batlogg & Z.Benes, et al, Science, 289（2000）,1730.
  3. ^ Y.H.Yang et al, Applied Physics Letters, 98（2011）,041901 .
  4. ^ http://www.bast.net.cn/wnfw/kxmc/kjxch/2005/1/10/31310.shtml[失效連結]
  5. ^ Carbon Nanotubes Material Safety Data Sheet. [2015-08-19]. （原始內容存檔於2016-03-04）. 
  6. ^ 就碳奈米管的抗衝擊能力和其高度塑性，香港科技大學在2006年年中表示已成功利用填滿了聚乙烯的碳奈米管造成避彈衣。詳見：雅虎新聞[失效連結]。
  7. ^ C. Liu, Y. Y. Fan, et al, Science, 286（1999）,1127.
  8. ^ Yang, R. T.（2000）. Hydrogen storage by alkali-doped carbon nanotubes–revisited. Carbon, 38 (4), 623-626.
  9. ^ P.Philippe, Z.L.Nang, et al, Science, 283（1999）,1513.
  10. ^ 存档副本. [2020-04-19]. （原始內容存檔於2022-09-21）. 
  11. ^ 全球首台奈米碳管晶體電腦開發成功 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），TechNews科技新報，Lien Eden （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），2013年9月26日
  12. ^ First computer made of carbon nanotubes is unveiled （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），BBC News，James Morgan，2013年9月25日
  13. ^ Researchers Build a Working Carbon Nanotube Computer （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），紐約時報，JOHN MARKOFF （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），2013年9月26日
  14. ^ Electronics: The carbon-nanotube computer has arrived，自然期刊（Nature），Franz Kreupl，page 256，2013年9月25日
  15. ^ Shulaker, Max M.; Chandrakasan, Anantha; Murphy, Denis; Stein, Yosi; Amer, Aya; Kanhaiya, Pritpal; Srimani, Tathagata; Bishop, Mindy D.; Fuller, Samuel; Wright, Andrew; Lau, Christian; Hills, Gage. Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors. Nature. August 2019, 572 (7771): 595–602. ISSN 1476-4687. PMID 31462796. doi:10.1038/s41586-019-1493-8 （英語）. 
  16. ^ A Carbon Nanotube Microprocessor Mature Enough to Say Hello. IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News. [19 September 2019]. （原始內容存檔於2019-12-02） （英語）. 
  17. ^ Gibney, Elizabeth. Biggest carbon-nanotube chip yet says 'Hello, World!'. Nature. 28 August 2019. doi:10.1038/d41586-019-02576-7. 
  18. ^ Kaili Jiang, et al, Nature 419 (2002) 801. [2014-08-11]. （原始內容存檔於2014-12-12）. 
  19. ^ OFweek碳纳米管在触控面板领域的应用解析. [2014-08-11]. （原始內容存檔於2021-07-07）. 
  20. ^ 科技日報天津率先實現奈米碳管觸控屏產業化 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2016-03-04.
  21. ^ OFweek碳时代开启：碳纳米管与石墨烯技术分析. [2014-08-11]. （原始內容存檔於2014-08-04）. 
  22. ^ 电子时报富纳源创切进大陆四大手机供应链　贵阳厂区设立新产线. [2014-08-11]. （原始內容存檔於2016-03-05）. 

外部連結

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