任國(guó)蘭

摘要：碳納米管以其優(yōu)異的性質(zhì)受到了多個(gè)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(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：碳納米管；性質(zhì)；用途

文章編號(hào)：1005－6629(2009)03－0052－03中圖分類號(hào)：O635.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)家Sumio Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，碳納米管以其優(yōu)異的熱學(xué)、力學(xué)以及光電特性受到了化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、材料等多個(gè)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(guó)際權(quán)威雜志《Science》評(píng)為1997年度十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。碳納米管給物理學(xué)家提供了研究毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理最細(xì)的毛細(xì)管，給化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)最細(xì)的試管。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Smalley教授認(rèn)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(jī)、水資源缺乏以及太空旅游等問(wèn)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(jiǎn)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(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體管和半導(dǎo)體管；按照排列狀況又可分為定性排列型和無(wú)序排列型[2]。碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)性能，它的拉伸強(qiáng)度是鋼的100倍，而密度卻只有鋼的六分之一，其強(qiáng)度及韌性均遠(yuǎn)優(yōu)于其他纖維材料；它還具有獨(dú)特的電學(xué)性能，在一定條件下，它可作為半導(dǎo)體、導(dǎo)體乃至超導(dǎo)體；在電場(chǎng)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(jì)

2002年，日本物質(zhì)材料研究所科學(xué)家Yihua Cao及Yoshio Bando發(fā)明了一種“碳納米溫度計(jì)”，他們?cè)陂L(zhǎng)約10μm，直徑僅為75nm的碳納米管中充入呈液態(tài)的金屬鎵。當(dāng)溫度升高時(shí)，管中的液態(tài)鎵就會(huì)膨脹，通過(guò)電子顯微鏡就能讀取溫度值。當(dāng)溫度從50℃升高到500℃時(shí)，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(jì)被認(rèn)定為世界上最小的溫度計(jì)，并被列入了吉尼斯大全[3]。然而，這種溫度計(jì)相當(dāng)于把傳統(tǒng)汞柱溫度計(jì)縮小十億倍，需要依靠透射電子顯微鏡來(lái)校正及讀取數(shù)據(jù)，使用上很不方便。最近英國(guó)科學(xué)家Lozovik等人設(shè)計(jì)了一種機(jī)電式納米溫度計(jì)，這個(gè)組件的操作機(jī)制是利用雙壁式納米碳管在接觸或被待測(cè)樣品覆蓋時(shí)，熱振動(dòng)會(huì)造成管壁位置產(chǎn)生納米級(jí)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致碳管導(dǎo)電率的變化，從而測(cè)定樣品溫度。這項(xiàng)成果將有機(jī)會(huì)應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)中，用來(lái)監(jiān)控單一芯片的局部溫度，也可應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[4]。

2.2新型儲(chǔ)氫材料

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

2.3癌細(xì)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(méi)有完全治愈的方法。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，2007年全世界總共有760萬(wàn)人死于癌癥。英國(guó)Surrey大學(xué)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(xì)胞表面，在一定小波長(zhǎng)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(xì)胞[8]。美國(guó)德州大學(xué)的Gannon等人最近研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)線電場(chǎng)的作用下，碳納米管可在48小時(shí)成功殺死兔子的肝臟腫瘤細(xì)胞，而對(duì)附近的健康細(xì)胞傷害較小[9]。這些研究預(yù)示著碳納米管在未來(lái)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(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林率領(lǐng)的科研小組研制出可稱單個(gè)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(lái)稱重，其精度可達(dá)10-17kg。可以稱量單個(gè)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(guó)開(kāi)姆尼茲技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家宣布研制出世界上可稱單個(gè)原子的重量的秤，打破了早些時(shí)候美國(guó)和巴西等國(guó)科學(xué)家聯(lián)合研制的納米秤創(chuàng)造的紀(jì)錄，這一成果被評(píng)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(chǎng)發(fā)射電子槍、新型生化傳感器、防彈衣、高強(qiáng)度纖維以及超微型計(jì)算機(jī)晶體管等。研究人員還根據(jù)碳納米管在電場(chǎng)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(diǎn)，預(yù)計(jì)不久將投放市場(chǎng)。如果碳納米管真正進(jìn)入我們的生活，它將給我們帶來(lái)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(lái)看，科學(xué)家對(duì)碳納米管的生物毒理效應(yīng)持截然不同的兩種觀點(diǎn)。美國(guó)休斯頓宇航局太空中心小組的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向小鼠的肺部噴灑含有碳納米管的溶液，碳納米管會(huì)進(jìn)入小鼠肺泡，并形成肉芽瘤[12]。法國(guó)國(guó)家科研中心Dumortier等人研究了功能化壁碳納米管對(duì)免疫細(xì)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(méi)有停留在肝或脾中，而是通過(guò)腎處理后完全進(jìn)入排泄物中，其在小鼠體內(nèi)的半衰期大約3小時(shí)[13]。2006年6月德國(guó)科學(xué)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(xì)胞活性分析方法有關(guān)，這主要是由于碳納米管可能會(huì)與某些細(xì)胞活性試劑發(fā)生作用。這項(xiàng)工作可以解釋為什么有些研究認(rèn)為碳納米管對(duì)人體有害，而有的認(rèn)為無(wú)害。

4 前景與展望

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

參考文獻(xiàn)：

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

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[6]木士春，潘牧，袁潤(rùn)章，錢勝浩.儲(chǔ)氫金屬或儲(chǔ)氫合金修飾的一維納米碳儲(chǔ)氫材料，專利，公開(kāi)號(hào)：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(jìn)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.