词条内容：碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，在1991年1月由日本物理学家饭岛澄男发现。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2～20nm。碳纳米管具有许多特殊力学、电学和化学性能。在辅助科学实验、制造复合材料等方面应用广泛。

简介；碳纳米管碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，在1991年1月由日本物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2～20nm。

碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的，而是保持一定距离。

碳纳米管具有许多特殊的力学、电学和化学性能。在储存氢气、制造复合材料、纳米应用等方面具有重要作用。

发现；1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)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，这就是碳纳米管，又名巴基管。

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。

力学性质；碳纳米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示

由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2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。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”。莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 Pa的水压下，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。此外，碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。

电学性质 ；碳纳米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中 ，记为(n,m)。a1和a2分别表示两个基矢。(n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管，如果有2n+m=3q（q为整数），则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于n=m的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。

传热性质

碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

抗辐射性质；2012年9月美国海军研究实验室发现由单壁碳纳米管制作的晶体管（SWCNT）具有在苛刻太空环境中生存的能力。新的研究显示由碳纳米管制作的晶体管具有极强的抗电离辐射能力，在有电离辐射的情况下其工作性能几乎不变。以SWCNT为基础的晶体管所具有的抗暂态效应和累积效应能力让其有潜力在未来帮助太空电子设备减少冗余和差错纠正电路，同时保持电子设备的高保真质量。

分类；按石墨烯片的层数分类

单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes,SWNTs）：单壁管是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，具有更高的均匀一致性。

多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes,MWNTs）：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。

按结构特征分类

扶手椅式纳米管，锯齿形纳米管和手型纳米管。

制备；常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法），固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等。

电弧放电法

碳纳米管；电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。

使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。

化学气相沉积法

其在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。

固相热解法；固相热解法是令常规含碳亚稳固体在高温下热解生长碳纳米管的新方法，这种方法过程比较稳定，不需要催化剂，并且是原位生长。但受到原料的限制，生产不能规模化和连续化

离子/激光溅射法

此方法虽易于连续生产，但由于设备的原因限制了它的规模。

应用；储存氢气碳纳米管氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。

作模具；在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。

制造复合材料；利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。

碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。

碳纳米管极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。

辅助科学实验；碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。 碳纳米管还用来构建各种微纳米器件，最成功的例子是用双壁碳纳米管制作世界上最小的纳米马达。

交通减震；碳纳米管被强力挤压后能像弹簧一样立即恢复形状，具有良好的韧性。可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，大大减轻重量。

电子芯片；IBM的八人研发团队2012年10月成功将碳纳米晶体管群精确地摆放在芯片上，做出了一个包含一万多个碳纳米管的芯片。而这一数字是传统硅晶体管数量上限的100倍左右。

据悉，碳纳米晶体管除了体积小之外，导电性能也很优越。在该技术下生产出来的芯片性能将获得巨大的提升。IBM的成果证明了，人们可以在预定的基底位置上用大量的碳纳米管晶体管蚀刻集成电路，其中隔离半导体纳米管、在晶圆上放置高密度碳材料设备尤为关键，因为最终商业性芯片是需要集成数以几十亿晶体管的。在此之前，科学家们只能同时放置最多几百个碳纳米管，远远无法投入商业化。IBM则利用离子交换化学理论研究出了一种全新的方法，能够精确、可控地在基底上按顺序放置大量的碳纳米管，密度达到了每平方厘米大约十亿个，比之前的成果提高了两个数量级。

不利影响；对人的不利影响

眼睛接触：可能引起眼睛不适 。

皮肤接触：目前（2012年）并不完全了解纳米粒子从皮肤渗透是否会对人体会造成不良影响。然而，局部应用原料单壁碳纳米管到裸鼠体内已经证明造成皮肤过敏。在使用体外培养的人皮肤细胞进行实验时显示，这两个单壁碳纳米管和多壁碳纳米管可以进入细胞，造成亲释放，炎性细胞因子，氧化应激，降低细胞生存能力。

空气吸入：可能导致肺癌的形成，尘肺，肉芽肿或间皮瘤。 

食入：会刺激肠道，相关实验不足。

对水生生物的不利影响

2012年8月24日，美国密苏里大学和美国地质勘探局共同完成的研究显示，碳纳米管对某些水生生物是有毒的。碳纳米管并不纯是碳，用于其生产过程中的镍、铬和其他金属会残留下来成为杂质。这些残留的金属和碳纳米管能减缓某些种类水生生物的生长率甚至导致死亡。密苏里大学邓宝林教授表示，在碳纳米管未来发展前景问题上，必须慎重和有准备地进行权衡。人们还没有充分了解其对环境和人类健康的影响，应防止它作为大规模生产材料进入环境中。

最新应用；斯坦福大学的工程师正在演示碳纳米管计算机

据物理学家组织网、英国广播公司2013年9月26日报道，美国斯坦福大学的工程师在新一代电子设备领域取得突破性进展，首次采用碳纳米管建造出计算机原型，比现在基于硅芯片模式的计算机更小、更快且更节能。

瑞士洛桑联邦理工学院电气工程学院主任乔瓦尼·德·米凯利教授强调了这一世界性成就的两个关键技术贡献：首先，将基于碳纳米管电路的制造过程落实到位。其次，建立了一个简单而有效的电路，表明使用碳纳米管计算是可行的。下一代芯片设计研究联盟、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校纳雷什教授评价道，虽然碳纳米管计算机可能还需要数年时间才趋于成熟，但这一突破已经凸显未来碳纳米管半导体以产业规模生产的可能性。