淺析神奇的碳納米管

【摘要】從石器時代走到如今的新材料時代，材料史的發展反映了人類文明進程。作為納米碳分子材料的碳納米管，由于具有較大的比表面積、良好的生物相容性和細胞穿透性等，成為近年的研究熱點。本文將簡述碳納米管的性質、以及它在諸多領域的應用，并對該材料提出展望。

【關鍵詞】生物相容性；細胞穿透性；骨組織工程；吸波材料

一、引言

碳納米管是晶形碳的同素異形體之一，屬于富勒烯的一種。人們可通過電子顯微鏡研究發現它的結構，其結構是由石墨烯層卷起來的圓筒狀，屬于納米尺度的材料。碳納米管不僅具備納米材料普遍具有的小尺寸效應、表面及界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等，還擁有良好的生物相容性、細胞穿透性、良好的力學性能與電學性能，應用前景十分廣闊。

二、碳納米管的發現及結構

上世紀九十年代初，日本的NEC公司基礎實驗室的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分子時，意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，就是碳納米管。可以根據筒形的石墨層的數目將碳納米管分為單壁和多壁的碳納米管。單壁管具有很好的對稱性，是由單層碳原子繞合而成的，多壁的碳納米管像同軸電纜一樣，由一層一層的碳原子繞成。

碳納米管是一種由碳原子sp2雜化形成的石墨烯片層卷成的無縫的中空管狀體，其力學性能很好，屬于輕質材料。碳納米管的管身不是完全均勻平直的，由于碳六邊形的網絡中夾雜著不同數目的碳的五邊形與七邊形，使碳納米管也有分叉、彎曲等非均勻的形態。由于其獨特的性能，一直以來各國對碳納米管的研究進程一直沒有停下腳步。

三、碳納米管的應用

（一）納米碳管在骨組織工程的應用

骨組織工程要求材料具有良好生物相容性，要有利于細胞的粘附，無毒，還不能引起炎癥反應，要安全的用于人體。其重要因素是要有足夠的種子細胞、合適的支架材料、刺激骨分化形成的調控因子和充足的血液供應。因此良好的支架材料顯得非常重要，它要具有良好的生物相容性、骨傳導性和骨誘導性，有促進骨細胞增殖的能力，還要具備可塑性和一定的機械強度；當然，該材料還要易于獲取、消毒、儲存和運輸。

羥基磷灰石材料在生理環境下性質很穩定，它屬于骨骼的天然成分，因此可被當作修復骨損傷的材料。但是其最大的缺點是力學性能差，強度低，韌性差，承載性差，難以用于人體中的承重材料。碳納米管的力學性能很好，可以與多種材料復合，改善材料的缺陷。為骨細胞的粘附、生長提供了良好的支撐作用。因此將碳納米管和羥基磷灰石制成復合材料，可在保持生物相容性的同時，提高其力學性能。

有研究人員將碳納米管與羥基磷灰石復合材料置入兔子右側脛骨的缺損處，并進行隨后分析發現，在該手術后的幾周內傷口損傷處愈合很好。由于該納米材料特殊的結構，為骨細胞的生長提供了條件。該材料在促進細胞組織的再生修復的同時，而且也抑制了一些對植入體內的材料產生不利影響的纖維組織的生成，實驗進一步證實該復合材料生物相容性良好。

（二）碳納米管/鎳鐵氧體復合材料在染料廢水的應用

隨著生活水平的提高，服飾染料領域產生出大量染料廢水，由于染料廢水中有機物含量高，且難以降解，給水體環境和土壤都帶來了嚴重污染。對此的處理方法很多，但很多都效果不良。由于碳納米管特殊的管狀空隙結構，大的比表面積和良好的化學穩定性，使它在該領域令人矚目。這不是說碳納米管沒有缺陷，由于它密度太小，難以沉降等特點，造成它難以回收的問題，因此人們想到用鎳鐵氧體包裹碳納米管組成復合材料，來改善它的性能。鎳鐵氧體具有磁性，不僅可以解決碳納米管由于密度輕，難以沉降回收的問題，并且可以使其具有很強的吸附性。

四、碳納米管的展望

二十一世紀的納米科技仍在闊步發展前行，納米制備技術也在日趨完善，納米科學成為備受青睞的新興學科之一。碳納米管作為納米材料中不可或缺的一份子，被應用于食品安全、國防軍事、生物醫學、染料涂料、污水處理等諸多不同的領域。為了我國在該領域有長久的成果與實踐，可以將優質的高校及研究所與工業化的生產制備結合起來，并打通不同行業領域之間的壁壘，使得碳納米管乃至整個納米材料范圍有著廣闊堅固的發展鏈：科學研究——生產制備——實踐應用。在此，神奇的碳納米管還有很多潛力值得人們去挖掘，并將它應用在更多領域。

參考文獻

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作者簡介：劉思碧（1998.06—），女，漢族，陜西渭南人，本科，研究方向：材料工程。