碳納米管——納米時代的弄潮兒

任國蘭

摘要：碳納米管以其優(yōu)異的性質(zhì)受到了多個領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注，本文就碳納米管的基本性質(zhì)、用途及生物安全性等方面做一簡要介紹。

關(guān)鍵詞：碳納米管；性質(zhì)；用途

文章編號：1005－6629(2009)03－0052－03中圖分類號：O635.1文獻標識碼：E

碳納米管是由一層或多層石墨按照一定方式卷曲而成的具有管狀結(jié)構(gòu)的納米材料。自從1991年日本科學家Sumio Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，碳納米管以其優(yōu)異的熱學、力學以及光電特性受到了化學、物理、生物、醫(yī)學、材料等多個領(lǐng)域研究者的廣關(guān)注[1]。其中單壁碳納米管的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用曾被國際權(quán)威雜志《Science》評為1997年度十大科學發(fā)現(xiàn)之一。碳納米管給物理學家提供了研究毛細現(xiàn)象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應(yīng)最細的試管。諾貝爾化學獎得主Smalley教授認為，基于碳納米管的新技術(shù)，將有可能解決人類目前所面臨的能源危機、水資源缺乏以及太空旅游等問題。本文就碳納米管的基本性質(zhì)、用途及生物安全性等方面做一簡要介紹。

1 碳納米管的分類及性質(zhì)

按照石墨層數(shù)分類，碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管；按手性可分為非手性管和手性管，其中非手性管又可分為扶手椅型管和鋸齒型管；按導電性能可分為導體管和半導體管；按照排列狀況又可分為定性排列型和無序排列型[2]。碳納米管具有優(yōu)良的力學性能，它的拉伸強度是鋼的100倍，而密度卻只有鋼的六分之一，其強度及韌性均遠優(yōu)于其他纖維材料；它還具有獨特的電學性能，在一定條件下，它可作為半導體、導體乃至超導體；在電場作用下，碳納米管還可以產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。

2碳納米管的應(yīng)用

2.1納米溫度計

2002年，日本物質(zhì)材料研究所科學家Yihua Cao及Yoshio Bando發(fā)明了一種“碳納米溫度計”，他們在長約10μm，直徑僅為75nm的碳納米管中充入呈液態(tài)的金屬鎵。當溫度升高時，管中的液態(tài)鎵就會膨脹，通過電子顯微鏡就能讀取溫度值。當溫度從50℃升高到500℃時，碳納米管中的液體鎵的體積隨著溫度的上升而成比例地膨脹。這種新型溫度計被認定為世界上最小的溫度計，并被列入了吉尼斯大全[3]。然而，這種溫度計相當于把傳統(tǒng)汞柱溫度計縮小十億倍，需要依靠透射電子顯微鏡來校正及讀取數(shù)據(jù)，使用上很不方便。最近英國科學家Lozovik等人設(shè)計了一種機電式納米溫度計，這個組件的操作機制是利用雙壁式納米碳管在接觸或被待測樣品覆蓋時，熱振動會造成管壁位置產(chǎn)生納米級的改變，進而導致碳管導電率的變化，從而測定樣品溫度。這項成果將有機會應(yīng)用在半導體工業(yè)中，用來監(jiān)控單一芯片的局部溫度，也可應(yīng)用在生物醫(yī)學領(lǐng)域[4]。

2.2新型儲氫材料

當前，由于能源危機和環(huán)境污染已經(jīng)成為一個國際關(guān)注的重大問題，而開發(fā)氫氣這種新型清潔能源，對于解決世界性能源危機，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。在氫能源的利用過程中，經(jīng)濟有效的儲存手段已成為氫能實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用急需解決的關(guān)鍵問題之一。自從1997年美國國家可再生能源實驗室Dillon AC等人在《Nature》雜志首次報道碳納米管可儲存氫氣以來，碳納米管作為儲氫材料已經(jīng)引起了人們廣泛的研究[5]。世界各國很多研究者紛紛在這一領(lǐng)域開展研究工作。我國科學家也作出了一定的成績，例如武漢理工大學木士春教授等人制備了一種儲氫金屬或儲氫合金與碳綱米管摻雜的一種復合材料，其儲氫容量可達3.5-5.5wt%[6]。美國Stanford同步加速輻射實驗室研究者于2006公布了一項振奮人心的研究結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管的儲氫效率竟然可達到65%，這預示著氫能源的儲存及利用在未來幾年將可能取得技術(shù)上的重大突破[7]。

2.3癌細胞的克星

癌癥是各類惡性腫瘤的總稱，已經(jīng)成為危害人類健康的第二大殺手，目前還沒有完全治愈的方法。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，2007年全世界總共有760萬人死于癌癥。英國Surrey大學McFadden教授研究小組將特定序列的RNA修飾到碳納米管表面，這些功能化碳納米管可以特異性結(jié)合到癌細胞表面，在一定小波長激光的照射下，這種RNA功能化碳納米管就可以特異地殺死癌細胞[8]。美國德州大學的Gannon等人最近研究發(fā)現(xiàn)，在無線電場的作用下，碳納米管可在48小時成功殺死兔子的肝臟腫瘤細胞，而對附近的健康細胞傷害較小[9]。這些研究預示著碳納米管在未來可能作為新一代抗癌藥物，從而取代目前使用的副作用較大的抗癌藥物。

2.4納米秤

1999年，美國佐治亞理工學院王中林率領(lǐng)的科研小組研制出可稱單個病毒質(zhì)量的“納米秤”，被稱為“世界上最小的秤”。該秤利用單根納米碳管的彈性和電磁共振作用來稱重，其精度可達10-17kg?？梢苑Q量單個病毒的質(zhì)量，該成果在《Science》發(fā)表后，立即引起世界上一些主要媒體的極大關(guān)注[10]。隨后，德國開姆尼茲技術(shù)大學的科學家宣布研制出世界上可稱單個原子的重量的秤，打破了早些時候美國和巴西等國科學家聯(lián)合研制的納米秤創(chuàng)造的紀錄，這一成果被評為1999年世界十大科技成果之一[11]。

2.5在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除以上用途外，碳納米管還用于掃描探針顯微鏡針尖、透射電子顯微鏡場發(fā)射電子槍、新型生化傳感器、防彈衣、高強度纖維以及超微型計算機晶體管等。研究人員還根據(jù)碳納米管在電場下的發(fā)光特性制備出新一代液晶顯示器，這種新型液晶顯示器具有低功能耗、低電壓、薄型化、平板化和能在惡劣條件下工作等優(yōu)點，預計不久將投放市場。如果碳納米管真正進入我們的生活，它將給我們帶來翻天覆地的變化。

3碳納米管的生物安全性

由于碳納米管在人們的生活中具有十分廣泛的應(yīng)用前景，其生物安全性自然受到了研究者的高度關(guān)注。從目前的研究結(jié)果來看，科學家對碳納米管的生物毒理效應(yīng)持截然不同的兩種觀點。美國休斯頓宇航局太空中心小組的研究發(fā)現(xiàn)，當向小鼠的肺部噴灑含有碳納米管的溶液，碳納米管會進入小鼠肺泡，并形成肉芽瘤[12]。法國國家科研中心Dumortier等人研究了功能化壁碳納米管對免疫細胞的影響，他們將碳納米管靜脈注射到小鼠體內(nèi)，結(jié)果表明，碳納米管沒有停留在肝或脾中，而是通過腎處理后完全進入排泄物中，其在小鼠體內(nèi)的半衰期大約3小時[13]。2006年6月德國科學的研究顯示，碳納米管所表現(xiàn)出的毒理效應(yīng)與所采取的細胞活性分析方法有關(guān)，這主要是由于碳納米管可能會與某些細胞活性試劑發(fā)生作用。這項工作可以解釋為什么有些研究認為碳納米管對人體有害，而有的認為無害。

4 前景與展望

作為納米的時代的弄潮兒，碳納米管以其獨特的性質(zhì)受到了多個領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。我們有理由相信，在不遠的將來，基于碳納米管的多種現(xiàn)代化產(chǎn)品將會真正進入我們的生活，對社會的發(fā)展將起到極大的推動作用。讓我們拭目以待這一天的早日到來吧！

參考文獻：

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

[2]韋進全，張先鋒，王昆林.碳納米管宏觀體[M].清華大學出版社，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，袁潤章，錢勝浩.儲氫金屬或儲氫合金修飾的一維納米碳儲氫材料，專利，公開號：CN1398664.

[7]http://www.physorg.com/news 10940 html, Carbon Nanotubes Store Hydrogen in Step Toward Hydrogen Vehicles.

[8]http://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]http://www.hongen.com/edu/kxdt/kjdt/kd011301.htm, 1999年世界十大科技進展.

[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.