碳纳米管范文第1篇

1、导电：碳纳米管具有一维中空管状结构，管壁由单层或多层石墨烯片围成，管径为纳米级，管长为微米级，长径比巨大，其性质会因石墨烯片的卷曲方式不同而发生变化，体现金属性或半导体性质。

2、超强抗拉：碳纳米管具有优越的机械性能，抗拉强度50-200GPa，相当于钢的100倍，但比重只有钢的1/6，因而被称超级纤维；硬度与钻石相当，但柔韧性更强，可拉伸，其最大拉伸率高于任何金属；它还有很好的柔性、回弹性和抗畸变的能力。

3、导热：碳纳米管具有良好的导热性，轴向热导率为2000-3000W/mK，约为铜的10倍，钻石的3倍。

4、吸附：碳纳米管具有超大的比表面积，吸附性能强； 同时具有良好的电磁波吸收等性能。

（来源：文章屋网 ）

碳纳米管范文第2篇

关键词：碳纳米管；结构；性能；应用前景

碳纳米管（CNTs）于1991年由NEC研究所的Sumio Iijima首次发现。碳纳米管[1]由于其独特的结构和奇特的物理、化学和力学特性及其潜在的应用前景而倍受关注，并迅速在世界上掀起了一股研究的热潮。

1 碳纳米管的电学性质及应用

碳纳米管的结构和几何特点决定了其电子学上的独特性，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。目前碳纳米管应用研究的最大领域是电子学领域[2]。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTS的管径大于6mm时，导电性能就下降；当管径小于6mm时，可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。由于电子的量子限域所致，电子有效的运动只能在单层石墨片中沿碳纳米管的轴向方向，径向运动受到限制，因此它们的波矢是沿轴向的。在碳纳米管周围传播的电子只有特定波长的电子被保留下来，其他的则可能完全被抵消，在石墨片里，物理上称为费米点的特殊电子态决定了它的全部导电性，其它态的电子则完全不能自由运动。只有三分之一的碳纳米管具有恰当的直径和螺旋程度，使其允许状态里含有这个特殊的费米点，这些碳纳米管具有金属性，其余三分之二则是半导体。在半导体性质和金属性质的碳纳米管之间可以形成整流结。利用这种特殊的电学性能，碳纳米管可用来制作场效应晶体管[3]。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此，碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。实验观察到的碳纳米管上的点缺陷会导致碳纳米管局部呈肖特基势垒或异质况，利用这个特性可以制作尺度非常小的纳米电子器件。因为碳纳米管在物理性质上有明显的量子特点，故可能成为下一代微电子和光电子器件的基本单元。

2 碳纳米管的力学性质及应用

3 碳纳米管的光学性质及应用

碳纳米管的发光特性，特别是可见光区的发光性质的研究是近一两年才发现和开始的。由于拉曼光谱的出现，碳纳米管的光学性质越来越受到人们的关注，虽然碳纳米管光学性质的研究时间并不长，但它显示出来的优越的发光特性越来越引起科学界的广泛注意。清华大学的Yong Zhang等人使用远红外激发碳纳米管产生了强烈的可见光。清华大学的Jinquan Wei等人使用超长SWNT和DWNT溶解在酒精中，酒精融化时产生的表面张力将CNT组装在灯丝上取代钨灯丝，然后将CNT灯丝与银电极连接在一起装入真空度为10-7Torr的球形玻璃罩中制成CNT灯。

4 碳纳米管的吸附性质及应用

碳纳米管具有较大的比表面积，其特殊的管道结构及多壁碳纳米管之间芯部和表面都存在大量分子级细孔，比表面积很高，因此可以吸附大量气体是最有潜力的储氢材料。氢能是一种理想的能源载体，而经济有效的储氢手段氢能实现规模应用急需解决的关键问题之一。碳纳米管在存储氢气上表现出的独特性质，使其最有希望成为一种新的高效的储氢材料。1997年，Dillon等创了碳纳米管储氢研究的先河。当时他们采用的样本是包含有金属催化剂和定形碳，未经纯化的单壁碳纳米管，利用程序升温脱附（Temperature ProgrammDesorption，TPD）法测定单壁碳纳米管储氢能力。碳纳米管良好的吸附性能可为催化剂良好的载体，碳纳米管的催化作用主要集中在三个方面：一是提高反应速率；二是决定反应路径，有优良的选择性；三是降低反应温度。

5 碳纳米管的磁学性质及应用

碳纳米管（CNTs）因其独特的管状结构和物理化学性质成为纳米磁性领域研究的热点。碳纳米管具有螺旋、管状结构，具有不同寻常的磁学性能。碳纳米管大的比表面积和纳米通道使其极容易掺杂纳米磁性材料。清华大学在国际上首次使用化学镀膜的方法在碳纳米管外面敷了一层金属镍镀膜，形成一种一维纳米磁性复合材料，有望用于微观磁性研究和高密度磁存储中。

6 碳纳米管的场发射性能及应用

碳纳米管的纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，所有这些结构和性能特征使得碳纳米管成为更理想的场致发射材料，有望在冷发射电子枪、平板显示器等方面获得重要应用。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能发射大量的电子，具有发射阈值低、发射电流密度大、稳定性强、分辨率高等优异的场发射性能，可制作各种场发射器件的阴极。最初，人们普遍采用金属微尖阵列（MicrotipArray）发射阴极。碳质材料的场致发射性能研究始于金刚石材料，当金刚石表面的碳原子与氢键合时，在表面附近形成的电子亲合势为负值，即材料导带中的电子不用穿过任何势垒就可溢出到真空中。但实际上，由于电子补给及传输困难，金刚石材料的场致发射性能受到很大的限制。其它类型的碳材料，如类金刚石薄膜、纳米结构碳、碳纤维等，也具有一定场致发射能力。进入九十年代后期，碳纳米管的发现以及其制备技术的发展为FED显示器件的突破性发展提供了一个良好契机。1995年瑞典的DeHeer研究了碳纳米管的场发射特性，提出将碳纳米管作为场发射电子源的设想，并在Science上发表了他们的研究成果，在学术界引起了很大的轰动。 7 碳纳米管的应用前景

7.1 储氢材料

7.2 催化剂良好的载体

纳米材料比表面积大，表面原子比率大（约占总原子数的50%），使体系的电子结构和晶体结构明显改变，从而表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，担载催化剂后极大地提高了催化剂的活性和选择性。碳纳米管的催化作用主要集中在三个方面：一是提高了反应速率；二是决定反应路径，有优良的选择性；三是降低反应温度。

7.3 理想的锂离子负极材料

碳纳米管的层间距为0.34nm略大于石墨的层间距0.335nm这有利于锂离子的嵌入与迁出，它特殊的圆筒状构型不仅可以使Li+从外壁和内壁两方面嵌入，又可防止因溶剂化锂离子嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性，消除极化。实验表明，用碳纳米管作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌锂离子容量和稳定性。

7.4 制造纳米导线的最佳材料

由于碳纳米管壁能被某些化学反应所溶解，因此它们可以作为易于处理的模具。只要将金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。目前，除此之外无其它可靠的方法来得到纳米尺度的金属导线。本法可进一步地缩小微电子技术尺寸，从而达到纳米尺度。

7.5 太空缆绳的首选材料

碳纳米管具有强度高、质量轻的特点。单个碳纳米管的直径只有1.4nm，5万个碳纳米管，并在一起相当于一根头发丝的直径。碳纳米管可能成为未来理想的超级纤维，碳纳米管的一种可能具有突破性的应用，是用于太空升降机。用碳纳米管做成的太空缆绳，与其他物质不同的是它能支持住自身的质量。这就提供了一种把人或物品提升到外层太空的可能的方法，也许将成为人类移居外星球的理想方法。碳纳米管可作为电镜的探针材料。其优异的力学性能使得碳纳米管成为了太空缆绳的首选材料。

7.6 扫描电子显微镜理想的探针材料

碳纳米管不但可以大大改善图像的分辨率，而且能使极微小的深部表面裂纹以及DNA之类的生物分子成像。同时，其尖端与基体接触会引起结构的可逆弯曲而不会遭到破坏。

碳纳米管范文第3篇

纳米材料如碳纳米管，在医疗上有着广泛的应用前景，比如作为递送工具，将药物运载到特定的细胞或人体内特定部位。但如果不了解纳米材料和细胞之间的相互作用，反而会带来大麻烦。美国布朗大学和中国科学院最近的一项实验发现，纳米管有可能会刺穿细胞，给细胞带来极大伤害。相关在近期出版的《自然・纳米技术》上。

人们知道石棉对人体有害，其长长的纤维能像箭一样刺穿细胞。但科学家一直不理解，细胞为何会对石棉纤维和其他纳米级的材料感兴趣，这些材料对细胞来说太长了，根本无法整个吞下去。美国布朗大学研究小组通过分子模拟发现，碳纳米管尖端接近细胞时，细胞会产生“误会”，以为它只是个小圆球而不知其是个圆柱，等意识到小球“太长”，根本吞不下时，已经为时太晚。随后科研人员又用纳米管、金纳米线对小鼠肝脏细胞、人类间皮细胞进行细胞实验，发现90%的纳米材料都是以尖端90度角进入细胞。

石棉纤维、商用碳纳米管和金纳米线都有一个圆形的尖头，直径在10纳米到100纳米之间，正处于细胞处理范围。细胞上有一种受体蛋白质会聚集并弯曲细胞膜壁，使细胞卷曲包住纳米管尖端，反向调整纳米管角度，使纳米管尖端能以90度进入，从而降低细胞吞噬微粒所需的能量。这一行为叫做“尖端识别”。

“我们原以为纳米管会贴附细胞膜以得到更多结合位点，但模拟却显示，纳米管稳定地旋转到近垂直角度以适于进入，以便其尖端被完全包围。这和人们的直觉相反。”论文第一作者史兴华（音译）说，细胞膜包住纳米管时，会释放弯曲能量。“如果纳米管的圆形尖端被切掉，开口而且中空，它就只会贴在细胞膜上而不会进入细胞。”论文通讯作者、布朗大学工程教授高华健（音译）说，当细胞的内吞作用开始，就没办法再退回去。细胞觉得无法整个吞下纳米管，就会求救。但求救信号反而会引发免疫反应，造成更多炎症反应。高华健说：“只有完全理解纳米材料和细胞之间的相互作用，才能设计出可靠的运输工具，控制它们和细胞之间的相互作用，不引起中毒反应，最终制造出对细胞没有吸引力的纳米管，只帮助细胞而不会伤害它们。”

碳纳米管范文第4篇

【关键词】碳纳米管 性能 应用

碳是地球上最丰富的元素之一，它以多种形态广泛存在于大气和地壳之中。自1985年Smalley用烟火法成功制得C60以来，碳纳米管、碳微米管和石墨烯等多种碳结构逐渐进入人们的视线。碳纳米管作为C60制备的副产物，较早被人们发现。

一、碳纳米管的结构

碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs），又称巴基管（buckytube），属于富勒碳系（fullerene），是在C60不断深入研究中发现的。

碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面。CNT 根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管（single- walled carbon nanotubes，SWNTs） 和多壁碳纳米管（multi- walled carbon nanotubes，MWNTs）。

二、碳纳米管的性能及应用

（一）电学性能及应用

碳纳米管是优良的一维介质，由于碳纳米管的特殊管状结构，管壁上的石墨片经过了一定角度的弯曲，导致量子限域和σ-π再杂化，其中3个σ键稍微偏离平面，而离域的π轨道则更加偏离管的外侧，这使得π电子能集中在碳纳米管管壁外表面上（轴向）高速流动，但在径向上，由于层与层之间存在较大空隙，电子的运动受限，因此它们的波矢是沿轴向的，这种特殊的结构使得碳纳米管具有优异的电学性能，可用于量子导线和晶体管等。

（1）量子导线。CNT可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线，Tang等在研究具有较小直径的SWNT磁传导特性时发现，在温度低于20K时，直径为0.4nm的CNT具有明显的超导效应，这也预示着CNT在超导领域的应用前景。

（2）晶体管。Soh等成功制备出碳纳米管晶体管阵列，这种单分子晶体管是现有硅晶体管尺寸的 1/500，可使集成电路的尺寸降低2个数量级以上。用碳纳米管做晶体管，其电流密度高，可消除短沟效应，突破硅场效应晶体管的物理极限。碳纳米管构成的纳米电子器件具有尺寸小、速度高、低功耗和低造价等优势，它将替代硅材料成为后摩尔时代的重要电子材料。

（二）热学性能及应用

碳纳米管由卷曲的石墨片构成，具有巨大长径比和石墨导热率高的特点，因而其轴向方向的热交换性能很高，相对其径向方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成各向异性高的热传导材料。

（三）化学与电化学性能及应用

碳纳米管有中空管状的特殊结构以及巨大的长径比，管壁上是石墨烯结构，管壁的层与层之间充满着空隙，因此碳纳米管具有很高的比表面积，使得大量气体分子、电子和离子等能吸附在管的间隙、内腔及管的表面，并能迅速移动，因而碳纳米管可以应用于锂离子电池材料、电容器和储氢材料等领域。

（1）锂离子电池。碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷，使其具有优越的嵌锂特性。此外，碳纳米管稳定的筒状结构在多次充放电循环后不会塌陷、破裂或粉化，从而大大提高了锂离子电池性能和循环寿命。碳纳米管优异的导电导热性，可以提高锂离子电池的大倍率充放电性能和安全性能，因此碳纳米管在锂离子电池研究领域具有较大的优势。

（2）超级电容器。超级电容器要求材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。目前一般用多孔炭作电极材料，但是其微孔分布宽，结晶度低，导电性差，容量小的缺点，限制了双电层电容器在更广阔范围内使用。

碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构，因而是一种理想的双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，因而具有很高的容量和循环寿命。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器，存在着巨大的商业价值。

（3）储氢材料。氢是一种可再生清洁能源，但其成本高昂、操作困难，利用率低等缺点严重制约着氢能的开发和利用，因此迫切需要开发一种优良的储氢材料。碳纳米管的特殊微观结构可吸附大量的氢气，其作为新型的储氢材料已获各方关注。

研究发现，经过预处理的碳纳米管具有一定的储氢能力，而且其常温常压下氢气的释放效率也较高，释放后的碳纳米管还可以重复利用，这为储氢材料的研究开辟了更广阔的应用前景。通过比较不同方法制备的不同尺寸、不同定向以及不同预处理的碳纳米管的储氢能力后发现，定向度高，纯度高的碳管其储氢量多；经过酸处理两端开口的碳管的储氢量能有很大的提高；管径大的碳管的储氢量比管径小的碳管的储氢量高。SWNT比MWNT的储氢量高。

参考文献：

碳纳米管范文第5篇

关键词：受限碳纳米管；MD模拟；分子动力学

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2102-02

碳纳米管因为本身独有的结构特性和物理性质，进而极大的促进了分子动力学模拟技术的发展，使MD模拟涉及到更加宽广的领域。在化学化工以及生物领域，分子动力学模拟的应用也日益广泛。分子动力学模拟巨大的应用价值在纳米孔道、纳米电子器件、粒子通道、纳米线等方面逐渐体现出来。作为辅助实验研究的一种技术手段，与传统实验相比MD具有很大的优点，那就是MD可以表现出比传统实验更加直接的实验现象、实验数据曲线和直观的实验结果。并且MD模拟比实验操作简单，成本很小，比实验更容易实现。该文主要讨论受限碳纳米管中流体分子的方法和步骤，做为进一步研究的基础。

在不同的受限空间中，由于受限作用的影响，流体分子在碳纳米管中的运动行为也各不相同。受限制的流体分子行为因为受到流体分子之间的相互竞争以及管壁对流体分子的作用而发生改变。在微观情况下，材料所表现出来的物理性质与宏观情况下相比会有很多不一致。因此，当我们在不同半径的碳纳米管中对流体分子进行模拟时，会影响到它的运动状态。当流体分子受限碳纳米管中，分子的某些性质会受所处的电场的强度影响比较大，比如输运性质还有微观结构等。具有相似的结构的甲醇分子和水分子，都可以在分子之间形成氢键，可以作为很好的例子。

1 MD方法势能模型的确立

在分子动力学模拟中常常用到碳纳米管，而在计算模拟过程中常见的有两种势能模型。一种是在模拟的时候忽略碳碳键的伸缩、键角的变化和二面角的变化的刚性模型；另一种则是我们在模拟中经常用到的柔性模型。在模拟中可以用余弦势能函数或简谐弹簧势能来计算在碳纳米管中所包含的碳碳原子之间的各种作用力。参加模拟的分子通常采用库伦势来作为分子间静电作用势，并且采用L-J（雷纳德-琼斯）作用势作为范德华作用势，在计算过程中所用公式如下

式中[u（ri，rj）]代表了体系内分子之间的相互作用势能。其中，原子或粒子[i]与[j]间的距离用[rij]表示；[εij]和[σij]则是L-J相互作用势中所需要用到的参数。混合规则为Lorentz-Berthelot（洛伦兹-贝塞那）法则，详见式（2）和式（3）：

2 设定初始条件

模拟开始前，我们首先要求解系统的运动方程，以此来确定粒子的初始位置和初始速度。我们可以通过有限元差分网格来确定粒子的初始位置，并通过波尔兹曼的随机分布来确定其初始速度。

趋于平衡的计算―即利用已经确定的初始条件来求解运动方程的过程。由于系统初始未处于平衡状态，也就是系统内粒子还不稳定，因此必须设计一个过程，使系统通过此过程逐渐趋于平衡。在具体的模拟中，可以通过不断的从系统中移除能量使系统达到平衡，或者不断从外界吸收能量使系统达到平衡。在系统达到平衡之后再计算各种物理量才会有意义。

1）温度：

系统的温度决定着粒子的动能的大小，系统中用[12KBT]表示粒子的每个自由度的能量，假设系统由N个粒子构成，则系统的总的自由度就是3N。体系的动能K的可表示为：

其中，KB表示波尔兹曼常数。

2）压力：

这个方程就是维里方程。我们可以通过维里方程来求粒子i所受到的压力Fi，维里方程中< >表示对括号中的项求平均值。

3）系统的总能量：

上式左边即为所要求的总能量，右端是总动能和总势能。

3 粒子的扩散系数

模拟所用碳纳米管管径大小会影响分子扩散系数的大小，分子在碳纳米管中的扩散系数是指在模拟的过程中得到的MSD曲线，通过爱因斯坦扩散定律，均方位移随时间的变化显示了物质原子的扩散行为，与扩散系数有着密切的关系：

式中Na是扩散系数的分子数，当r分别用x、y、z代替时，D分别表示为x、y、z方向的扩散系数。

扩散系数还可表示为由Green-Kubo的推出的关系式：

在这个式子中，{}是系综求平均，[Nm]是系统总粒子数，t为模拟时间。粒子的扩散系数除了会受管径影响外还会受浓度的影响，当模拟粒子浓度增加时，粒子的扩散系数会随浓度增加而降低。

4 粒子的径向分布函数

粒子的径向分布函数也可称为RDF曲线，可以准确直观的表现出原子结构的信息，是用来反映所研究系统中的粒子的微观结构及其特性的一种物理量。径向分布函数表示的是对于模拟系统中的所有粒子在距离某一粒子为r时其它粒子出现的概率。是表征原子之间的相互聚集状况的一个重要的物理量，同时也表征了研究体系结构的无规则状态。其物理意义是：在空间位置r点周围体积元内发现另一个粒子的概率。可以由以下的公式来表示：

其中：[n（r）]是指原子到原点的距离。

一般利用Origin绘制分子的径向分布函数图来对分子在受限碳纳米管中的微观结构进行分析研究。

5 碳纳米管在实际中的应用

由于碳纳米管具有独特的结构使其具有出色的电学、光学、力学等性质，在材料科学、能源技术等领域都有很广泛的应用。

1）碳纳米管在复合材料方面的应用：碳纳米管因为其优良的电学、力学性质而在纳米复合材料方面有极大的应用潜力。通过将碳纳米管与复合材料混合而得到新材料，其材料性能比原材料更加良好。例如通过在塑料中添加碳纳米管，可以使其导电性能和强度都得到大幅度提高，此方法可用于静电喷涂中。此外利用碳纳米管出色的吸附性能还可以制备出性能非常好的复合涂层吸波材料。因此可以尝试通过在材料中加入碳纳米管来获得各种新型复合材料，新材料可能会比原材料具有更加良好的性能。

2）碳纳米管在储氢材料方面的应用：到目前为止，氢是人们在自然界中发现的、存在的最多的元素。和其他可燃烧元素相比氢不仅具有非常高的燃烧能量值而且在燃烧后无任何污染，这些优点使氢成为理想的绿色新能源。作为氢能走进日常生活的最大阻碍，氢能的安全存储和运输成为氢能的广泛应用必须解决的难题。碳纳米管因为独特的中空结构特点、管状结构以及纳米级尺寸，使其储氢性能优良，因而碳纳米管成为储氢材料的最佳选择。单臂碳纳米管的储氢能力比较高，如果能投入实际运用氢能源将可以满足人们的日常生活所需。氢不仅可以直接作为燃料供家庭使用，还可以通过氢燃料电池电池转化成电能获得更广泛的利用，而且在氢能源转化成电能的能量转化过程中只产生水蒸气而不排放任何污染物。如果能够通过碳纳米管将氢能转化成便携的能源，我们可以在日常生活中大规模利用氢能作为燃料，而不需要担心污染或者浪费的问题。对于氢能作为能源的利用和发展，关于碳纳米管储氢能力的研究在其中起着关键的作用。受限于碳纳米管过高的制造成本，暂时还不能利用碳纳米管储氢作为人们日常生活的能源。除此以外，碳纳米管作为出色的储氢材料，还可以应用于化工方面。比如由于碳纳米管具有优良的储氢能力，可以在加氢或者脱氢等反应中作为优秀的催化剂载体。

参考文献：

[1] 李春艳，刘华，刘波涛.分子动力学模拟基本原理及研究进展[J].广州化工，2011（4）.

[2] 樊康旗，贾建授.经典分子动力学模拟的主要技术[J].器件与技术，2005（3）.

[3] Liem S Y.Chen K Y.Simulation study of phtlinum adsorption On graphite useing the Sutton―Chen petential[J]Surf.Sdeace，1995（328）：119-128.

[4] 崔守鑫，胡海泉，肖效光.分子动力学模拟基本原理和主要技术[J].聊城大学学报，2005，18（1）.