本文来源：环球新碳
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1 ~ 100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。由于其组成单元的尺寸小，界面相对于整个材料来说占的比例很大，因此纳米材料构成的体系表现出许多不同于宏观材料的性质，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应等。纳米碳材料，顾名思义，就是指分散相尺度至少有一维小于100 nm的碳材料。纳米碳材料具有稳定性好、强度高、比表面积高和来源丰富等特点，是最具发展潜力的新型纳米材料，现已应用于复合材料、超级电容器、储氢材料、催化剂等能源化工领域，甚至成为高新领域中无法替代的材料。本文简介了几类纳米碳材料的性质和应用，带大家初步了解下这些材料“明星”。
1． 富勒烯 (Fullerene)
富勒烯是单质碳被发现的第三种同素异形体，它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯，属于零维的纳米材料。富勒烯的成员有C28、C32、C50、C60、C70、C120等。C60是这一家族中发现最早、相对最容易得到和最廉价的种类，因此被人们所熟知。
富勒烯的发现是一个曲折又偶然的过程。1970年，日本科学家大泽映二首次在论文中提出了C60分子的设想。但由于文字障碍，用日文发表的文章并没有引起人们的重视。之后有很多科学家在研究中发现过C60和C70的线索，但由于对实验结果缺乏理论分析和创新意识，与富勒烯家族的发现失之交臂。1984年，美国化学家斯莫利（R.E.Smalley）发明了一台仪器用于半导体和金属原子簇研究。英国物理学家哈里·克鲁托（H.Kroto）经克尔（F.Curl）介绍，参观斯莫利的实验室时受到启发，建议使用这台仪器研究富碳星际尘埃，研究中再次发现了C60 和C70的特征峰。克鲁托等人从美国著名建筑师富勒设计的加拿大蒙特利尔万国博览会美国馆获得了灵感，拼出了C60立体模型。它是由60个顶角、12个五边形和20个六边形组成的中空32面体，与现代足球的拼皮花样非常相似，于是克鲁托等将C60称为“足球烯”。又由于C60分子的稳定性正好可用富勒发明的短程线圆顶结构加以解释，故又命名为“富勒烯”。富勒烯的发现震撼了整个科学界，克鲁托、克尔与斯莫利三人也因此获得了1996年度诺贝尔化学奖。
1.1 富勒烯的性质
(1) 富勒烯分子具有芳香性，化学性质活泼；
(2) 硬度比钻石还硬 ；韧度（延展性）比钢强100倍；
(3) 导电性比铜强，重量只有铜的六分之一 ；
(4) 具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后表现出良好的导电性和超导性。
1.2 富勒烯的应用
(1) 润滑剂和研磨剂
C60具有特殊的圆球形状和特殊的稳定性，是所有分子中最圆的分子，且异常坚硬，这使得C60可能成为高级润滑剂的核心材料。将C60完全氟化得到C60F60，是一种超级耐高温材料，可作为优良的润滑剂，广泛应用于高技术领域。另外，C60分子特殊的形状和极强的抗外压能力使其有望成为新的超高硬度的研磨材料。
(2) 电化学应用
C60具有完美对称的足球结构，反应在其电子能级上具有较高的简并度。C60具有很高的电负性，能够接受电子而形成带负电子的阴离子。高度结构对称性与分子轨道简并度结合起来，使得C60分子具有非常丰富的氧化还原性质。
(3) 非线性光学器件
富勒烯具有很多离域的π键，因此可作为良好的非线性光学材料。C60/C70混合物（C70约占10%）的非线性光学系数约为1.1×10-9 esu，C76甚至还具有光偏振性。富勒烯分子中不存在对非线性光学性能有干扰作用的C—H键和C—O键，性能更加优越。
(4) 超导性
掺杂C60的超导体具有相对较高的临界温度，不仅远远高于有机分子超导体，而且也大大高于目前发现的金属和合金的超导体，只比现在炙手可热的氧化物陶瓷的超导体低。富勒烯超导体最大的优点在于容易加工成所需要的各种形状；同时由于它们是三维分子超导体，各向同性，电流可以在各个方向均等流动。同时，富勒烯化合物超导体还具有较高的临界磁场和临界电流密度，在更大的富勒烯分子掺杂化合物中可能实现超导临界温度的大幅度提高。
(5) 医用材料
富勒烯结构呈中空的笼型，中间可以用于填充分子，且具有抗辐射和抗化学腐蚀的特性，同时还可以在分子水平上进行透析或控制生物活性物质的缓慢释放。因此，可以把放射性原子植入其中跟踪病人的血流或进行医疗成像。
2． 碳纳米管 (CNTs)
碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）又称巴基管，属富勒碳系，它是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管。碳管的直径一般在1-30 nm之间，而长度可达数米级，因此可以将它看成一维的量子线。碳纳米管大致可分为两类：单壁碳纳米管（SWNTS）和多壁碳纳米管（MWNTS）。
2.1碳纳米管的性质
(1) 力学性质：碳纳米管具有高模量、高强度等良好的力学性能。CNTs抗拉强度是钢的100倍，比常规石墨纤维高一个数量级；弹性模量与金刚石相当，约为钢的5倍；CNTs硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可拉伸。
(2) 导电性质：CNTs具有良好的导电性能，取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs管径小于6nm时，可以看成是具有良好导电性能的一维量子导线；当管径大于6nm时，导电性能下降。
(3) 传热性质：CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。CNTs有较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的CNTs，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。
(4) 其他性质：CNTs还具有光学和储氢等其他良好的性能。
2.2碳纳米管的应用
(1) 功能材料
CNTs具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，可以与普通纤维混纺来制成防弹、保暖、隐身的军用装备；也可用于增强金属、陶瓷和有机材料等；并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。
(2) 储氢材料
CNTs的管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料。在室温和不到1 bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢5-10 wt%。
(3) 锂离子电池
CNTs层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充放电循环后不会塌陷，循环性好。碱金属如锂离子和碳纳米管有很强的相互作用。用碳纳米管做负极材料做成的锂电池的首次放电容量高达1600 mAh/g，可逆容量为700 mAh/g，远大于石墨的理论可逆容量372 mAh/g。
(4) 纳米器件
CNTs直径仅数纳米至数十纳米，耐电流密度可达铜的100多倍，可以作为超级耐高电流密度的布线材料，制成碳纳米导线。半导体型的碳纳米管还可以用来构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体管等纳米器件，变频器、逻辑电路以及环形振荡器等各种逻辑电路。
(5) 新型的电子探针
CNTs具有大长径比、纳米尺度尖端、高模量，是理想的电子探针材料：①不易折断：CNTs可与被观察物体进行软接触；②灵活性高：碳纳米管碳的网状结构，可以进入观察物体不光滑表面的凹陷处，能更好显现表面形貌和状态，有很好的重现性。
(6) 催化
CNTs具有纳米级的内径、碳六元环网和大量未成键的电子，可选择吸附和活化一些惰性分子。CNTs在600 ℃的催化活性优于贵金属铑，并很稳定，这将在石化和化工产业界带来不可估量的革新和效益。
3． 石墨烯 (Graphene)
自2004年英国曼彻斯特大学的Andre Geim 及Konstantin Novoselov首次成功剥离热解石墨并观测到石墨烯以来，学界内对于这种新型碳材料的研究热度未曾消退过，两人因此获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯的成功分离意味着理论对于二维晶体热力学不稳定的预言的破除，带来了许多新领域研究的可能。这一切都宣告着基于石墨烯这种二维新材料的时代即将到来。
3.1石墨烯的性质
石墨烯拥有众多“史上最强”性能，有可能将碳材料的所有性质发挥到极致。
(1) 最薄的材料：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，厚度大约为0.335 nm，相当于一个头发的20万分之一。
(2) 最硬的材料：其杨氏模量可达约1100 GPa，断裂强度约125 GPa，比金刚石还要坚硬，是相同厚度的钢铁的强度的100倍。
(3) 超大比表面积：理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630 m2/g，普通的活性炭的比表面积仅为1500 m2/g。超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。
(4) 强导电性：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，拥有超强导电性。
3.2石墨烯的应用
(1) 传感器领域
石墨烯具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间快、电子传递快、易于固定蛋白质并保持其活性等特点，在传感器中有广泛的应用，能提升传感器的各项性能。主要用于气体、生物小分子、酶和DNA 电化学传感器的制作，如南洋理工大学开发的石墨烯光传感器，以及伦斯勒理工学院研制出的廉价石墨烯海绵传感器。
(2) 储能和新型显示领域
石墨烯具有极好的电导性和透光性，作为透明导电电极材料，在触摸屏、液晶显示、储能电池等方面有很好的应用。石墨烯被认为是触摸屏制造中最有潜力替代氧化铟锡的材料；美国德州大学奥斯汀分校研究人员研制出的超级电容，其储能密度接近铅酸电池；密歇根理工大学科学家研发出一种独特蜂巢状结构的三维石墨烯电极，光电转换效率达到7.8 %，有望取代铂在太阳能电池中应用；东芝公司研发出石墨烯与银纳米线复合透明电极，并实现了大面积化。
(3) 半导体材料领域
石墨烯被认为是替代硅的理想材料。韩国成均馆大学开发出了高稳定性n型石墨烯半导体，可以长时间暴露在空气中使用；美国哥伦比亚大学研发出石墨烯-硅光电混合芯片，在光互连和低功率光子集成电路领域具有广泛的应用前景；IBM 的研究人员开发出了石墨烯场效应晶体管，其截止频率可达100 GHz，频率性能远超相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率(40 GHz)。
(4) 生物医学领域
石墨烯及其衍生物在纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等方面的应用广阔。以石墨烯为基层的生物装置或生物传感器可以用于细菌分析、DNA 和蛋白质检测；石墨烯量子点应用于生物成像中，与荧光体相比具有荧光更稳定、不会出现光漂白和不易光衰等特点。
4． 碳纳米角(SWCNHs)
单壁碳纳米角（single-walled carbon nanohorns，SWCNHs），是碳纳米管家族一种新型的碳纳米材料，1999年Lijima教授课题组首次用激光消融石墨法制得，它的一端呈封闭的锥形（锥角为20 o），其余部分是与碳纳米管类似的石墨管状，管径2-5 nm，管长40-50 nm。由于受锥形末端之间范德华力的影响，SWCNHs会聚集形成类似大丽花状的球形聚集体，直径为80-100 nm。
4.1 SWCNHs的性质
(1) 多孔性：SWCNHs有两种孔，即角与角之间的外在的孔和角里面的内在孔。原始生产的SWCNHs是闭合的，通过热处理可以使其开口，并可以控制孔的大小，为分子的选择性吸附提供可能；
(2) 热稳定性：在真空中当温度高达1400 ℃时，其结构才开始发生变化；
(3) 比表面积大：开孔处约有5倍表面积；
(4) 纯度高：SWCNHs的制备不使用金属催化剂，因而制得的SWCNHs不含任何金属杂质，可以高纯度制备；
另外，SWCNHs具有良好的生物相容性、导电性和催化性能。
4.2 SWCNHs的应用
(1) 吸附和存储材料
SWCNHs具有大的比表面积和高的结合能，可作为新型吸附材料，如吸附气体氙气和氢气等，SWCNHs有两类吸附位点：角与角之间的间隙和角内部的空隙。使用硝酸处理SWCNHs可以使其内部和间隙的孔容量都显著增加，可用于存贮超临界甲烷。另外，SWCNHs还可以用于吸附液体，如水、苯和乙醇等。
(2) 催化剂载体
SWCNHs独特的结构可以增强催化剂的持久性。在SWCNHs上沉积还原，可以得到平均尺寸为2.3 nm的Pd纳米簇，得到的Pd-SWCNHs对H2-O2的气相反应和某些液相反应，如偶联反应具有很好的催化能力。以SWCNHs为载体合成的Pt颗粒粒径仅为2 nm左右，具有良好的分散性，以Pt-SWCNHs作为燃料电池的电极，具有非常好的活性和稳定性。
(3) 药物载体
SWCNHs大的比表面积和众多的角空隙，可以吸附大量的分子。与CNTs相比，SWCNHs的孔径较小，适合吸附一些比较小的分子；SWCNHs生产过程中不使用金属催化剂，避免了有金属杂质引起的细胞毒性。SWCNHs会组装成微米级的束状或形成球形聚集体，能增强被动肿瘤靶向条件下 药物的渗透性和保持力，从而趋于在肿瘤组织附近富集，使其具有更高地抗肿瘤效率。
(4) 电化学应用
SWCNHs可以用作电化学传感器中的电极材料。SWCNHs修饰的玻碳电极对尿酸、多巴胺和抗坏血酸等有很好的电催化性能；将SWCNHs直接生长在碳纤维上可以制作独立的电极用作锂离子电池；经过氧化开口的含有大尺寸纳米窗的SWCNHs可以在有机溶剂中构建高电容的超级电容器。
(5) 其他应用
管状的碳材料能吸收近红外区域的光，因此可以通过局部光热疗法使细胞死亡；SWCNHs和金属氧化物的复合材料还能用于锂离子电池的阳极材料，提高电池的性能；掺杂MgB2的SWCNHs具有磁性，使其有望成为新的超导材料。
5． 纳米金刚石 (Nanodiamond)
纳米金刚石是纳米碳材料中的重要一员，1963年全苏技术物理研究所首次用爆炸法合成了纳米金刚石。1987年俄罗斯率先成功研究出纳米金刚石。1988年《Nature》杂志上公布了美国和德国研究者对爆炸过程的实验观测。国内最早于1993年兰州化物所报道了这方面的相关工作。纳米金刚石不仅保留了金刚石的综合优异特性，而且还具有良好的生物兼容性；对雷达波、红外紫外光有巨大的透射率和吸收率；其表面有许多羧基、烃基、羰基等官能团，很容易同金属、橡胶、塑料聚合物、织物表面紧密结合等等，从而为纳米金刚石的应用提供技术基础和发展空间。
5.1 纳米金刚石的性质
纳米金刚石除兼具纳米材料和宏观金刚石的一些基本性质外，还具有某些特殊的性质，如晶格常数大、德拜温度低、化学活性大等。
(1) 晶格常数大：纳米材料主要由纳米晶粒和纳米晶界两部分组成，每个纳米晶粒仅包含有限个晶胞，且由于纳米晶粒的各种点阵缺陷，晶格点阵必然发生一定程度的弹性变形，表现为晶格常数的变化。纳米金刚石晶格常数比天然立方结构金刚石的晶格常数稍大。
(2) 形貌规则：纳米金刚石大多为单晶，其表面形貌呈较规则的球形或类球形。存在着微米和亚微米尺寸的团聚体，有的团聚体还具有菱形或球形结构，并有分形结构的特征。
(3) 德拜温度低、化学活性高：物质的德拜特征温度是固体的一个重要物理量，它不仅反映了晶体点阵的动畸变程度，还是该物质原子间结合力的表征。纳米金刚石的德拜特征温度是364 K，而大颗粒金刚石单晶的德拜特征温度是1800 ~ 2242 K。这表明纳米金刚石原子间的结合力大大减弱，因此纳米金刚石的化学活性增大。
(4) 比表面积大：纳米金刚石的比表面积达到200 ~ 420 m2/g，从而具有很强的表面活性，可吸附大量杂质原子或基团，如：－OH、－COOH、－C－O－C－、－C＝O 等官能团。
5.2 纳米金刚石的应用
纳米金刚石在形貌、硬度、粒度等方面的独特性能和特殊的光电、磁、热性能，使其在在电子、化工、军事、医疗等领域中均具有广阔的应用前景。
(1) 润滑作用
纳米金刚石具有小尺寸效应、良好的抗极压性能及修复功能。添加了纳米金刚石的润滑油，除了具有一般润滑油所具有的清净分散性能和抗氧化腐蚀性能外，还具有独特的摩擦学改性特点，有效提高磨合品质功效。
(2) 增强添加剂
纳米金刚石粒径小、比表面积大、表面层内原子所占比例大，可以与聚合物充分地吸附、键合，可使材料的断伸长率比微米级填料更大。因此，纳米金刚石可用作添加剂以增强塑料和橡胶的强度。
(3) 复合镀层
复合镀层能有效地提高涂层与基体之间的结合强度。纳米金刚石的表面有丰富的羟基、羧基、羰基等官能团，与镀覆表面有极强的结合力，可用于金属表面和橡胶、塑料、玻璃等表面的涂敷。
(4) 催化剂
纳米级金刚石有很大的比表面积，表面原子配位不全等导致表面的活性位点增加；其表面含有各式各样的表面官能团，活性很强，用其配制催化剂，可提反应高活性，促进有机化合物的相互作用。
(5) 医学领域
纳米金刚石与生物体的兼容性很好，是人造骨、人造关节的表面耐磨涂层的适宜材料，因其不粘连皮肤，可作外科敷料的内层保护膜；用纳米金刚石粉作为生物载体，制成某些抗体药物，可以直达病灶内部；纳米金刚石表面的羟基和羧基等官能团，与DNA有很强的结合力，可作为生物DNA芯片的载体；纳米金刚石应用于水性的和油性的悬浮液可以强化肿瘤药用试剂的效果。
(6) 电子领域
纳米金刚石与纳米硅粉、纳米陶瓷或纳米金属复合，可制造出新型的纳米结构材料，用于半导体器件、集成电路元件和微机零件等。纳米金刚石可作为减磨的添加剂和物理的变性剂用于磁性录音系统，将其添加到电化学的复合膜中，改善磁性录音的稳定性；将其添加到铁磁层可明显减少磁畴，增大录音密度。
(7) 用于隐身材料
用少量纳米金刚石悬浮在涂料中，将其喷涂在飞机、坦克、导弹、军舰上，可以起到隐形防腐的作用。
提到隐身材料，以上所述的几类纳米碳材料均有这一领域的应用前景。为什么超微粒子，特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用呢？主要原因有两点：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外和雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波长的透过率比常规材料要强得多，大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很弱，从而达到隐身作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规的材料大了3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，起到了隐身作用。
上面举例的纳米碳材料在各方面的应用，充分显示出其在新材料科学中的举足轻重的地位。神通广大的纳米碳材料其诱人的应用前景促使人们对这一崭新的材料科学领域和全新的研究对象努力探索。相信，纳米碳材料必将在新材料、能源、信息等各个领域崭露头角，成为大放异彩的“明星”。
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