The applications of carbon nanotubes

面对我们时代最大的问题，有时需要利用最小粒子的力量：纳米粒子。在这里我们深入探讨碳纳米管（CNTs）这个有着革命化潜力的纳米技术奇迹，其可能颠覆众多行业。

什么是碳纳米管？

碳纳米管是由碳原子组成的六角形晶格结构的圆柱形中空结构。CNTs 可以是单壁（SWCNTs）或多壁（MWCNTs），不同的结构根据其大小和结构提供独特的性质。碳纳米管的直径在纳米尺度上测量，但它们的长度可以延伸到毫米范围，具有极高的长宽比。CNTs的极高拉伸强度，加上其独特的热传导性和电导性，使其在众多研究领域和应用中可能变得无与伦比¹。

电子学的新前沿

在过去的30年里，电子学的一个显著趋势是日常电子设备的逐渐缩小，而其计算能力和复杂性却在增强。对越来越小且功能强大的设备的追求是电子产业拥抱包括 CNTs 在内的纳米技术的主要动机。碳纳米管的吸引力不仅仅是因为它们的尺寸。例如，CNTs 显示出卓越的电导性，使其成为开发高性能晶体管的理想候选者²，这些晶体管可以提供比传统硅基设备更快的处理速度和更高的能源效率。此外，CNTs 的机械强度在开发柔性电子产品或经受重复应力和应变的组件时也可能具有优势。

材料科学的进步

碳纳米管最激动人心的应用之一在于它们增强复合材料的能力³。将 CNTs 掺入聚合物、金属和陶瓷，会产生比传统材料更强、更耐用和更轻的复合材料。这些增强的材料有广泛的应用，包括航空航天组件、汽车零件和运动器材，它们常常需要在重量和性能之间取得微妙平衡。同样，CNTs 的机械强度被用于开发耐磨涂层，提高各种产品的寿命和功能性。这些涂层在电子产业中特别有用，因为它们还可以利用 CNTs 的电和热特性保护精密组件。

革新能源存储

能源行业正在经历一场重要的变革，由于可再生能源的日益普及和持续的电气化转变推动了这场变革。这种转变面临的主要挑战之一是能源存储的持续增长的需求。由于 CNTs 能够存储和传导能量，它们可能快速成为这场革命的关键。由于其微观的晶格结构，CNTs 拥有较大的表面积，使其能够比传统电容器储存更多电荷。这种特性使 CNTs 有时被描述为‘超级电容器’⁴。此外，电池技术中的使用 CNT 增强电极已被证明能促进快速离子输运，这显著提高了电池的容量、充放电速度，从而提高了效率、性能和寿命。

医学发现和生物传感器

由于其独特的物理性质和重要的生物相容性，CNTs 在医学和生物传感领域显示出了显著的潜力。CNTs 可以功能化以携带专有的生物分子进行靶向药物输送，得益于其纳米尺度和高表面积⁵。此外，用于药物输送的 CNTs 可以开发成在特定刺激下，以可控方式释放专有治疗物。这些进步意味着药物可以直接递送至病变细胞或组织，提高治疗效率，同时最大限度地减少副作用。

CNTs 在医学中的另一个令人兴奋的应用领域是生物传感和成像。就像它们在靶向药物递送中的应用一样，CNTs 可以标记对比剂或荧光标记，用于高分辨率成像细胞和分子结构。此外，其独特的导电性可以用于开发传感器，能够检测血液和其他生物液体中的生物标记物。

净化与过滤

在水处理中，CNTs 在去除污染物、重金属和病原体方面表现出色，为人们提供清洁安全的用水⁶。它们的高表面积和高孔隙度非常适合于吸附重金属、有机污染物和细菌等污染物。这些特性扩展了它们在空气过滤系统中的应用，其中 CNTs 可以从大气中捕获有害颗粒，帮助改善空气质量，并降低与空气污染相关的健康风险。

结论

碳纳米管的潜力是广泛和变革性的。从电子学和材料科学到能源存储和医学，CNTs 站在创新的最前沿。一些科学进步的最大挑战包括对日益复杂疾病的靶向药物输送，电气化和电池开发，减少和缓解广泛的污染以及促进可再生能源的转型。所有这些挑战都可以通过巧妙地使用 CNTs 来解决。

在 Malvern Panalytical，我们为能成为这场技术革命的一部分而感到兴奋，开发解决方案让我们能够深入了解 CNTs 的不可思议特性，以应对当今的挑战，并利用粒子和材料科学创造一个更加健康和可持续的未来。

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• Carbon and Carbon Nanotube Characterization by Nanoparticle Tracking Analysis
• Characterization of Single Wall Carbon Nanotubes (SWNTs) by combining Dynamic Light Scattering and Raman Spectroscopy

参考文献

1. Harris, P. J. F. Carbon Nanotube Science: Synthesis, Properties and Applications. (Cambridge University Press, 2009).
2. Franklin, A. D., Hersam, M. C. & Wong, H.-S. P. Carbon nanotube transistors: Making electronics from molecules. Science 378, 726–732 (2022).
3. Coleman, J. N., Khan, U., Blau, W. J. & Gun’ko, Y. K. Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube–polymer composites. Carbon 44, 1624–1652 (2006).
4. Yu, D. et al. Scalable synthesis of hierarchically structured carbon nanotube–graphene fibres for capacitive energy storage. Nature Nanotech 9, 555–562 (2014).
5. Jha, R., Singh, A., Sharma, P. K. & Fuloria, N. K. Smart carbon nanotubes for drug delivery system: A comprehensive study. Journal of Drug Delivery Science and Technology 58, 101811 (2020).
6. Das, R. et al. Multifunctional carbon nanotubes in water treatment: The present, past and future. Desalination 354, 160–179 (2014).