碳纳米管――纳米时代的弄潮儿

摘要：碳纳米管以其优异的性质受到了多个领域研究者的广泛关注，本文就碳纳米管的基本性质、用途及生物安全性等方面做一简要介绍。

关键词：碳纳米管；性质；用途

文章编号：1005－6629(2009)03－0052－03中图分类号：O635.1文献标识码：E

碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。自从1991年日本科学家Sumio Iijima发现碳纳米管以来，碳纳米管以其优异的热学、力学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注[1]。其中单壁碳纳米管的发现和应用曾被国际权威杂志《Science》评为1997年度十大科学发现之一。碳纳米管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。诺贝尔化学奖得主Smalley教授认为，基于碳纳米管的新技术，将有可能解决人类目前所面临的能源危机、水资源缺乏以及太空旅游等问题。本文就碳纳米管的基本性质、用途及生物安全性等方面做一简要介绍。

1 碳纳米管的分类及性质

按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；按手性可分为非手性管和手性管，其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管；按导电性能可分为导体管和半导体管；按照排列状况又可分为定性排列型和无序排列型[2]。碳纳米管具有优良的力学性能，它的拉伸强度是钢的100倍，而密度却只有钢的六分之一，其强度及韧性均远优于其他纤维材料；它还具有独特的电学性能，在一定条件下，它可作为半导体、导体乃至超导体；在电场作用下，碳纳米管还可以产生电致发光现象。

2碳纳米管的应用

2.1纳米温度计

2002年，日本物质材料研究所科学家Yihua Cao及Yoshio Bando发明了一种“碳纳米温度计”，他们在长约10μm，直径仅为75nm的碳纳米管中充入呈液态的金属镓。当温度升高时，管中的液态镓就会膨胀，通过电子显微镜就能读取温度值。当温度从50℃升高到500℃时，碳纳米管中的液体镓的体积随着温度的上升而成比例地膨胀。这种新型温度计被认定为世界上最小的温度计，并被列入了吉尼斯大全[3]。然而，这种温度计相当于把传统汞柱温度计缩小十亿倍，需要依靠透射电子显微镜来校正及读取数据，使用上很不方便。最近英国科学家Lozovik等人设计了一种机电式纳米温度计，这个组件的操作机制是利用双壁式纳米碳管在接触或被待测样品覆盖时，热振动会造成管壁位置产生纳米级的改变，进而导致碳管导电率的变化，从而测定样品温度。这项成果将有机会应用在半导体工业中，用来监控单一芯片的局部温度，也可应用在生物医学领域[4]。

2.2新型储氢材料

当前，由于能源危机和环境污染已经成为一个国际关注的重大问题，而开发氢气这种新型清洁能源，对于解决世界性能源危机，实现可持续发展具有重大的现实意义。在氢能源的利用过程中，经济有效的储存手段已成为氢能实现规模应用急需解决的关键问题之一。自从1997年美国国家可再生能源实验室Dillon AC等人在《Nature》杂志首次报道碳纳米管可储存氢气以来，碳纳米管作为储氢材料已经引起了人们广泛的研究[5]。世界各国很多研究者纷纷在这一领域开展研究工作。我国科学家也作出了一定的成绩，例如武汉理工大学木士春教授等人制备了一种储氢金属或储氢合金与碳纲米管掺杂的一种复合材料，其储氢容量可达3.5-5.5wt%[6]。美国Stanford同步加速辐射实验室研究者于2006公布了一项振奋人心的研究结果，他们发现单壁碳纳米管的储氢效率竟然可达到65%，这预示着氢能源的储存及利用在未来几年将可能取得技术上的重大突破[7]。

2.3癌细胞的克星

癌症是各类恶性肿瘤的总称，已经成为危害人类健康的第二大杀手，目前还没有完全治愈的方法。据世界卫生组织统计，2007年全世界总共有760万人死于癌症。英国Surrey大学McFadden教授研究小组将特定序列的RNA修饰到碳纳米管表面，这些功能化碳纳米管可以特异性结合到癌细胞表面，在一定小波长激光的照射下，这种RNA功能化碳纳米管就可以特异地杀死癌细胞[8]。美国德州大学的Gannon等人最近研究发现，在无线电场的作用下，碳纳米管可在48小时成功杀死兔子的肝脏肿瘤细胞，而对附近的健康细胞伤害较小[9]。这些研究预示着碳纳米管在未来可能作为新一代抗癌药物，从而取代目前使用的副作用较大的抗癌药物。

2.4纳米秤

1999年，美国佐治亚理工学院王中林率领的科研小组研制出可称单个病毒质量的“纳米秤”，被称为“世界上最小的秤”。该秤利用单根纳米碳管的弹性和电磁共振作用来称重，其精度可达10-17kg。可以称量单个病毒的质量，该成果在《Science》发表后，立即引起世界上一些主要媒体的极大关注[10]。随后，德国开姆尼兹技术大学的科学家宣布研制出世界上可称单个原子的重量的秤，打破了早些时候美国和巴西等国科学家联合研制的纳米秤创造的纪录，这一成果被评为1999年世界十大科技成果之一[11]。

2.5在其他领域中的应用

除以上用途外，碳纳米管还用于扫描探针显微镜针尖、透射电子显微镜场发射电子枪、新型生化传感器、防弹衣、高强度纤维以及超微型计算机晶体管等。研究人员还根据碳纳米管在电场下的发光特性制备出新一代液晶显示器，这种新型液晶显示器具有低功能耗、低电压、薄型化、平板化和能在恶劣条件下工作等优点，预计不久将投放市场。如果碳纳米管真正进入我们的生活，它将给我们带来翻天覆地的变化。

3碳纳米管的生物安全性

由于碳纳米管在人们的生活中具有十分广泛的应用前景，其生物安全性自然受到了研究者的高度关注。从目前的研究结果来看，科学家对碳纳米管的生物毒理效应持截然不同的两种观点。美国休斯顿宇航局太空中心小组的研究发现，当向小鼠的肺部喷洒含有碳纳米管的溶液，碳纳米管会进入小鼠肺泡，并形成肉芽瘤[12]。法国国家科研中心Dumortier等人研究了功能化壁碳纳米管对免疫细胞的影响，他们将碳纳米管静脉注射到小鼠体内，结果表明，碳纳米管没有停留在肝或脾中，而是通过肾处理后完全进入排泄物中，其在小鼠体内的半衰期大约3小时[13]。2006年6月德国科学的研究显示，碳纳米管所表现出的毒理效应与所采取的细胞活性分析方法有关，这主要是由于碳纳米管可能会与某些细胞活性试剂发生作用。这项工作可以解释为什么有些研究认为碳纳米管对人体有害，而有的认为无害。

4 前景与展望

作为纳米的时代的弄潮儿，碳纳米管以其独特的性质受到了多个领域研究者的广泛关注。我们有理由相信，在不远的将来，基于碳纳米管的多种现代化产品将会真正进入我们的生活，对社会的发展将起到极大的推动作用。让我们拭目以待这一天的早日到来吧！

参考文献：

[1]Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon, Nature [J]. 1991, 354: 56-58.

[2]韦进全，张先锋，王昆林.碳纳米管宏观体[M].清华大学出版社，北京: 1-15.

[3]Gao Y., Bando Y., Carbon nanothermometer containing gallium [J]. Nature, 2002, 415:599.

[4]Bichoutskaiaa E., popovb A. M., Lozovika Y.E., Electromechanical nanothermometer [J]. Physics Letters A, 2007, 366: 480-486.

[5]Dillon, A. C., Jones, K. M., Bekkedahl, T.A., Storage of hydrogen in single walled carbon nanotubes [J]. Nature, 1997, 386: 377-379.

[6]木士春，潘牧，袁润章，钱胜浩.储氢金属或储氢合金修饰的一维纳米碳储氢材料，专利，公开号：CN1398664.

[7]www.省略/news 10940 html, Carbon Nanotubes Store Hydrogen in Step Toward Hydrogen Vehicles.

[8]www.ee.surrey.ac.uk/news?storvid=516, Bio-nanotechnology to kill cancer cells.

[9]Gannon C.J., Cherukuri P., Yakobson B. I., Cognet L., Kanzius J. S., Carbon nanotube-enhanced thermal destruction of cancer cells in a nonivasive radiofrequency field, Cance [J]. 2007, 110: 2654-2665.

[10]Poncharal P., Wang Z. L., Electrostatic Deections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes, Science [J]. 1999, 283: 1513-1516.

[11]www.省略/edu/kxdt/kjdt/kd011301.htm, 1999年世界十大科技进展.

[12]Lam C.W.,James J.T., McCluskey R., Hunter R.L. Pulmonary toxicity of single-wall carbon nanotubes in mice 7 and 90 days after intratracheal instillation. Toxicol Sci[J].2004, 77(1):126-134.

[13]Dumortier H., Lacotte S., Pastorin G., Marega R., Functionalized Carbon Nanotubes Are Non-Cytotoxic and Preserve the Functionality of Primary Immune Cells, nano Lett.,[J]. 2006, 6:1522-1528.