为什么碳纳米管是21世纪最有前途的纳米材料之一？

自1991发现碳纳米管以来，特别是单层碳纳米管的发现和宏观量的成功合成，引起了人们的广泛兴趣，成为富勒烯领域的一大研究热点，是物理、化学和材料科学最前沿的研究领域之一。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如:其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其很有希望被用作韧性碳纤维，其强度是钢的100倍，重量仅为钢的1/6。同时有望用作分子线、纳米半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂和近场发射材料。科学家预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的一维纳米材料、纳米电子器件材料和新一代平板显示材料。

碳纳米管的制备主要包括DC电弧法、催化法和激光法。北京大学发现，在阴极中掺杂Y2O3可以大大增加阴极沉积物中碳纳米管的含量。同时，他们与中科院电子显微镜中心合作，研究电弧法合成碳纳米管的截面结构。结果表明，碳纳米管的实际结构比理想模型复杂得多。它是一种具有理想同心石墨片的圆柱形结构，其中许多是卷曲的石墨结构，结构中有大量的位错，截面呈多边形椭圆形。中国科学院物理研究所采用独特的方法获得了高密度、高纯度、大面积、高取向的离散纳米管阵列，其长度可达90μm，被国际同行公认为全新的制备方法。此外，北京大学在单层碳纳米管的制备和研究方面也取得了一些成果:在单层碳纳米管的批量合成中，他们在一定的电弧条件下使用新型催化剂，每天可以获得几十克纯度在50%~70%左右的粗品，纯化后单层碳纳米管的纯度可以超过90%；在研究过程中，他们提出了以乙炔碳化物为连接桥梁的单层碳纳米管的生长机理。根据该模型，采用不同的催化剂合成了不同直径分布的单层纳米管，为基于单根碳纳米管的纳米器件单元的研究和制备提供了可选的原料。他们还对纯化后的单层碳纳米管进行了化学处理，可以切割分离成不同长度的单层碳纳米管。切割后的单层碳纳米管容易分散在水、醇、DMF等极性溶剂中形成胶体，为进一步的化学修饰、功能化和模板组装奠定了基础。