碳纳米管是什么材料做的？碳纳米管是怎样一种材料

文 | 囚鸟笔记

编辑 | 囚鸟笔记

1991年日本物理学家伊格马，进行了一项重要的实验，这项实验向世界介绍了一种如此强大的材料。它可以彻底改变工程师的设计方法。

日本物理学家伊格马

伊格马以两根石墨棒为电极，在两根石墨棒之间施加电流，一颗火星在他们之间拱起，随之形成了一团大篷车的气体，使这片干旱的尖端蒸发。当充满碳的空气落在腔室壁上时，就形成了一层薄薄的黑酱。在一种奇怪的新材料中，出现了微小的单层的篷车稻草，伊格马刚刚创造出碳纳米管。在接下来的几年里，实验室对这些神秘的小管进行了测试，结果显示这些纳米白色六角形碳晶格，具有人类已知的最强的抗拉强度。这只是他们展示的许多令人难以置信的材料特性之一。

展示的许多令人难以置信的材料特性之一

碳纳米管具有光导性和生物相容性，人们很快发现碳纳米管有潜力成为未来新技术的基石，最高效的计算机 革命性的医疗设备，人造肌肉可能是所有太空电梯中最雄心勃勃的，无数科幻作家的梦想，碳纳米管有望成为下一次技术革命的催化剂，但是将这种革命性材料付诸实践并非易事。

碳纳米有望成为下一次技术革命的催化剂

事实证明建造一个纤维，实际上是任何重要土地的单个分子，要理解这个迷人的分子是非常困难的，让我们深入研究碳纳米管的化学组成。碳是一种很常见的元素，我们常吃的 睡得 踩得都有，它是将我们的DNA结合在一起的元素，正如我们所知 它是生命的基础，它在我们生活中无处不在是因为它的多样性。

在电子显微镜下碳纳米管的样子

它的化学特性使其具有多种不同的形状。每一种形状都以不同和独特的方式影响其材料特性，为了理解这一点 我们需要理解基本的模型，即我们如何将电子围绕原子核的轨道形象化。首先我们有一个简化的内径模型，它把电子分成壳层，第一层可以包含两个电子，而第二能层可以容纳aceAn原子，想要填满每一个稳定的电子层，让我们以一个碳原子为例 它有6个电子，我们用它的2个垫子填满第1层，然后剩下4个电子填满下一个能量层，在它的最外层留下4个空位。

制作3D碳纳米管的模型图

这四个开放的位置意味着什么？碳愿意与许多其他元素以及它自己相互作用，通常是通过共享一种方式，称为共价键的特殊类型的电子，这种多功能性使得碳能够创造许多不同种类的分子，氢有一个电子它寻找一个电子填满它的内壳层。所以卡里班喜欢和四个氢原子形成，四个共价键来形成稳定的ace电子外层。同时帮助氢原子形成稳定的2层电子，这是甲烷一种非常常见的分子，是天然气燃料的主要成分，这只是一种排列方式而已。可以使碳氢化合物有各种各样的形状和构型，但我们感兴趣的是碳如何与自身成键，但是这个简化的模型并不能让我们理解。

碳与碳之间的键是如何形成截然不同的形状的

碳与碳之间的键是如何形成截然不同的形状的，在我们理解碳纳米管的魔力之前，我们需要再深入一点，电子并不像棋盘模型所暗示的那样，在良好的二维圆形轨道上运动，事实上我们甚至不能知道电子的位置和速度，相反我们可以预测电子在三维空间中的一般位置。我们称之为轨道，有一些区域我们有90%的把握，电子就在这个区域的某个地方，这可能会很复杂，但现在我们只需要关注两种标准的轨道，S轨道是球形的原子核位于其中心，P轨道通常被称为哑铃形。但我不知道这些书呆子会怎么想，因为我从来没见过这样的哑铃，它更像是一个8字形就像无穷大的符号。在地面空间电子设备会占据能量最低的1号轨道，在这种情况下是s轨道，它可以容纳两个电子设备，接下来我们有两个s轨道，它有一个更大的球体也可以容纳两个电子，然后我们有三个P轨道一个沿着X-Y排列，每个轨道都能容纳两个电子，碳在它的地面空间有1个S轨道和2个S轨道。

碳纳米材料生成的碳纳米线

在PX轨道和P-Y轨道分别有1个和1个电子，为了稳定 碳想让这三个轨道各填入两个电子，现在事情就会变得有点奇怪和混乱，碳可以 以不同的方式与自己结合，从而影响这些轨道的形状。用钻石填充这些轨道，碳与四个相邻的碳原子成键，为了做到这一点它把一个电子，从它的两个s轨道提升到空的pset轨道，这个P-Z轨道比两个s轨道能量更高，电子不想留在那里，所以碳亚当采用了一个新的杂化轨道形状来补偿。这叫做sp3杂化 它是标普轨道形状的混合物。看起来像这样 ace的一边膨胀而另一边收缩，两个S轨道和三个P轨道，转变成这些新的sp轨道形状，它们在这个条约空间中相等地互相排斥，现在碳分子之间形成了低共价键，这些轨道瓣正面重叠形成了所谓的键，这就形成了这样的重复结构。

碳纳米管的合成示意图

正是这种碳原子的刚性结构，使得钻石具有极强的杀伤力，现在你可以用同样的碳原子形成石墨，一种非常柔软的材料，我们可以用它来做铅笔和润滑剂。这是怎么做到的呢？这里是另一种杂化，再一次两个s轨道的一个电子被提升到小轨道，但这一次s轨道只与两个p轨道杂化，给了我们新的SP杂化，这就得到了3个SP杂化轨道和1个常规p轨道。

给了新的SP杂化就得到了3个SP杂化轨道和1个常规p轨道

这种新的排列方式使轨道呈现出新的形状，三个SP轨道在一个平面上排列，彼此间隔120度，非杂化的p轨道垂直于它们，现在当碳原子结合时，sp轨道的头再次重叠形成了这个扁平的六边形。一个六边形图案自然是一个非常强大和节能的形状，例如 蜜蜂并不是故意在六边形中建造蜂巢，它们形成于温暖的蜂体融化蜡的结果，然后三联结在最强的形成中硬化，这种形状经常用于高强度和低浪费的航空航天领域。

sp轨道的头再次重叠形成了这个扁平的六边形

这些SP键比SB键更强，因为它们具有更高的s性质，这听起来很复杂但这意味着它们更像S轨道，而不是p轨道因为有3个SP键。它们有33%的特征，而SB的3个轨道有4个，它们有25%的特征 S轨道离原子核更近，使SB键比SB3键更短 更带电负性 因此更强，这种六边形结构和坚固的化学键使石墨烯非常坚固，使用原子力显微镜对石墨烯进行的实验室测试显示。石墨烯的杨氏模组为0.5个石体，极限抗拉强度为130吉帕。

正在为碳纳米材料的绳子进行测力

如此之强以至于如果我们能以某种方式，创造出完美的石墨烯薄片。虽然我们无法做到，但我们可以建造一个看不见的，单原子深吊床 可以支撑铸件的重量，这就是我想要生活的世界。这是一个有趣但不是非常有用的应用程序，但石墨烯是一种非常常见的材料，而且我们常用的石墨形式并不牢固，这个六角形本身非常坚固，但由于石墨形成单原子层片，只有弱原子层范德墙的力量将它们粘在一起，薄片可以很容易地相互滑动，这就是石墨如此柔软的原因。

碳纳米材料绳子的合成

有趣的是碳纳米管和石墨具有相同的六边形结构，碳纳米管的两端是简单的环状结构，并连接在一起形成一个管，这种结构赋予了碳纳米管惊人的强度，研究人员发现 单壁纳米管的强度与图形冰相似，约为130吉帕其硬度大约是100倍的钢。