納米管

世界上有很多研究小組都在研髮結構緊湊、效率更高的電腦，而隨著集成電集成度的不斷提高，晶元散熱的問題也就顯得愈加突出。研究人員測算髮現，納米管的導熱性能與已知的最佳熱導體鑽石几近，甚至納米管的導熱性能最終能達到鑽石的兩倍。擺在電腦設計人員面前的另一個問題是電路體積的縮小。研究人員發現採用硅晶元的容量最終將受制於物理障礙。那麼，採用分子技術則是勢在必然。如果說越小越好，那麼納米管理所當然是最好的材料。納米管的管壁可以薄到只有一個原子，呈六角形排列的碳原子所構成的中空管直徑比一根人發還要細1萬倍。納米管的長度可以達到其厚度的數千倍，這使它們具備了多種功用。

納米管的類別有：硅納米管、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、功能化多壁碳納米管、短多壁碳納米管、工業化多壁碳納米管、石墨化多壁碳納米管、大內徑薄壁碳納米管、鍍鎳碳納米管、隕石碳質晶體納米管。

納米管的技術主要體現在納米技術。納米技術是20世紀80年代末期剛剛誕生並正在迅速崛起的用原子和分子創製新物質的技術，是研究尺寸範圍在在一百納米以下的物質的組成，在這種水平上對物質和材料進行研究處理的技術稱為納米技術。美國的國家納米科技啟動計劃（National Nanotechnology Initiative）將其定義為“1至100納米尺寸間的物體，其中能有重大應用的獨特現象的了解與操縱。”這個極其微小的空間，正好是原子和分子的尺寸範圍，也是它們相互作用的空間。在這樣的一個尺度空間，由於量子效應、物質的局域性及巨大的表面和界面效應，使物質的很多性能發生質變。納米科技是學習納米尺度下的現象以及物質的掌控，尤其是對現存科技在納米研究的延伸。納米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合，並且他們的表面效應有著顯著的特點，如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子隧穿等，而慣性和湍流等在大的物體時顯示的效應則小得可以被忽略掉。

在納米管應用於電腦運算的發展進程中，一個重要的里程碑就是把納米管製造成電腦中所用的開關或晶體管。1998年，IBM公司所屬威特森研究中心的一個研究小組即以此為目標進行了研究。研究人員證明單個的納米管可以具有晶體管的作用，而且提高了其晶體的導電性能。

然而，應用於電腦運算也只是納米管展露其優越性的一個方面。人們可以把這些微型管粘合在一起，製成纖維或繩索，用作超導線纜，或者塑料及其他高級材料的超強加固劑。如果納米管具備極強的撓性、強度和恢復力，它們將可合成高性能的體育和航空材料。由於其強大的張力，它們具有彎而不折且能恢復原來形狀的特殊性能。

此外，納米管還可應用於最需要導熱性能的地方。例如，電動機如果採用納米管做散熱片，其中的塑料部件就不會被高溫所熔化。這種微型材料還可置入需要耐受極度高溫的材料之中，如飛機和火箭外部的嵌板等。美國國家航宇和宇航局期望將納米管置入從防熱層到宇航服等各種設施之中。

能源公司對納米管也刮目相看。納米管可以用來製造更小、更輕、效能更高的燃料電池，它還能夠用於貯存用作能源的氫氣。研究人員在平玻璃片或其他材料上把無數個納米管排列起來，讓它們看起來像一片收割的整齊麥田。日本的NEC和韓國的三星公司準備將這種由納米管組成的“田野”做成電視機的顯示屏，以取代電視機所採用的老式陰極射線管。

碳納米管的電學性能包括導電性能和超導特性兩個部分，其中前一部分研究得最多。理論與實驗均證實碳納米管的導電性質與其微結構有著密切的關係。早期的實驗發現，一些碳納米管應是金屬或窄能隙的半導體。1996年，Langer等人開始用兩電極法研究單根多壁碳納米管的輸運特性，而Ebbesen等人為了避免樣品的不良電接觸，改用四電極法測量了單根多壁碳納米管的電學特性。從單根多壁碳納米管的電阻R來看，它們的差別確實很大，有些碳納米管屬於金屬，而另一些屬於半導體。一些研究組的實驗顯示，碳納米管的電學性能與螺旋度有密切關聯。

碳納米管最令人矚目的熱學性能是導熱係數。理論預測碳納米管的導熱係數很可能大於金剛石而成為世界上導熱率高的材料。不過，測量單根碳納米管的導熱係數是一件很困難的事情，2014年還沒有獲得突破。將電弧法製備的單壁碳納米管軋成相對密度為70%，尺寸為5mm×2mm×2mm的方塊，Hone測得了室溫下未經處理的碳納米管塊材的導熱率為35W/（M·K），該值遠小於理論預測值。顯然，碳納米管塊材中的空隙和碳納米管之間的接觸都將極大地減小碳納米管塊材的導熱率。而且，與石墨相類似，碳納米管沿軸方向與垂直於軸向方向的導熱能力應有很大的不同。因此，該結果不能代表碳納米管的實際熱率。正如單根碳納米管的電導率是碳納米管管體材料的電導率的50—150倍一樣，如果單根碳納米管的電導率也是如此，那麼碳納米管的導熱率應為1750—5800W/（M·K）。通過測量碳納米管塊材的導熱率與溫度的關係曲線可以推斷，碳納米管的導熱是由聲子決定的，並就此估計出碳納米管中聲子的平均自由程約為0.5—1.5μm。

利用X射線衍射和透射電子顯微鏡研究納米碳管在5.5Gpa下的熱穩定性也取得了重要進展。根據以往的研究，在常壓真空條件下碳納米管的熱穩定性非常好，其結構在2800℃以下可能並不發生變化。實驗發現，在5.5Gpa壓力下，雖然碳納米管的微結構在低溫時沒有發生明顯的改變，但在950℃即開始發生變化，轉變成類巴基蔥和類條帶結構，而在1150℃時轉變成石墨結構，高壓是這種轉變的主要原因，高壓可以促使碳納米管結構的破裂，從而降低它的熱穩定性。

1991年，日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島（Iijima）在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，這就是現在被稱作的“Carbon nanotube”，即碳納米管，又名巴基管。

1993年，S.Iijima等和DS。Bethune等同時報道了採用電弧法，在石墨電極中添加一定的催化劑，可以得到僅僅具有一層管壁的碳納米管，即單壁碳納米管產物。

1997年，AC.Dillon等報道了單壁碳納米管的中空管可儲存和穩定氫分子，引起廣泛的關注。相關的實驗研究和理論計算也相繼展開。初步結果表明：碳納米管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管製作輕便的可攜帶式的儲氫容器。據推測，單壁碳納米管的儲氫量可達10%（質量比）。此外，碳納米管還可以用來儲存甲烷等其他氣體。