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碳纳米管

1991
  • Sumio Iijima
研究人员在材料科学实验室用原子力显微镜操作碳纳米管。

(图片仅供参考)

碳纳米管(CNTs)是由单层碳原子卷曲而成的圆柱形分子(石墨烯它们可以是单壁碳纳米管(SWCNTs)或多壁碳纳米管(MWCNTs)。它们的性能非常优异,包括极高的抗拉强度(~100 GPa)、高导电性和高导热性。它们的电子行为(金属或半导体)取决于它们的螺旋性,即石墨烯晶格卷曲的角度。

碳的结构 纳米管 单壁碳纳米管 (SWCNT) 的卓越性能源于其独特的结构。我们可以将单壁碳纳米管想象成将一片石墨烯卷成一个无缝圆柱体。石墨烯片的卷曲方式由手性矢量 [latex]vec{C}_h = nvec{a}_1 + mvec{a}_2[/latex] 定义,其中 [latex]vec{a}_1[/latex] 和 [latex]vec{a}_2[/latex] 是石墨烯的晶格矢量,(n, m) 为整数。该手性矢量决定了纳米管的直径及其电子性质。如果 n = m,则该纳米管被称为“扶手椅型”纳米管,且始终具有金属性。如果 n ≤ m 是 3 的倍数,则该纳米管是窄带隙半导体或准金属。否则,它是一种中等带隙半导体。碳纳米管的电子性质对细微的结构变化极其敏感,这是其独有的特征。

多壁碳纳米管(MWCNTs)由多层同心石墨烯圆柱体构成,层层嵌套,如同俄罗斯套娃。与单壁碳纳米管(SWCNTs)相比,MWCNTs的生产通常更容易、成本更低,但由于管间相互作用,其性质更为复杂。MWCNTs的机械强度极其优异。强大的sp²杂化碳-碳键使碳纳米管成为迄今为止发现的最坚硬、最强韧的材料之一,其杨氏模量超过1 TPa,抗拉强度高达100 GPa,远超钢。其沿管轴方向的热导率甚至可以超过金刚石。这些特性使其成为复合材料的理想增强剂。然而,如何实现碳纳米管在基体中的均匀分散以及大规模生产具有单一特定手性的碳纳米管仍然是一大挑战,这限制了其在对纯度要求极高的电子领域的应用。

UNESCO Nomenclature: 2211
- 固体物理学

类型

材料

中断

革命

用法

小众/专业

前体

  • 1985年发现富勒烯(c60)
  • 碳纳米管存在和稳定性的理论预测
  • 电弧放电和激光烧蚀合成技术的发展
  • 高分辨率透射电子显微镜(hrtem)成像技术的进展

应用程序

  • 高强度复合材料中的添加剂(例如自行车车架、汽车零件)
  • 触摸屏和电子产品的导电膜
  • 原子力显微镜 (afm) 探针尖
  • 用于冷却电子设备的热界面材料
  • components in 超级电容器 and batteries

专利:

  • US 5,747,161
  • US 6,683,783

潜在创新理念

  • 太空电梯系绳材料
  • 用于超快速计算的弹道晶体管
  • 基于碳纳米管纱线的人造肌肉
  • 场发射显示器
  • 用于下一代集成电路的纳米级线
  • membranes for highly efficient water 海水淡化
  • 神经细胞再生支架
  • hydrogen storage materials for 燃料电池 vehicles
  • 光学仪器的超黑涂层
  • 热隐身材料
Related to: carbon nanotube, cnt, swcnt, mwcnt, graphene, chirality, tensile strength, sumio iijima, composite material, 纳米技术.

历史背景

碳纳米管

1984
1986
1986
1991
1994
1997
2002
1984
1985
1986
1990
1993-01-01
1995
2000
2004

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

第十年 周年纪念日

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