比石墨烯更接地气的碳纳米材料，未来碳基时代的材料引领者

　　“如果有一天人们能够按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹”？

图1 美国著名理论物理学家费曼

　　这是美国著名理论物理学家费曼于1959年12月在加州理工学院作演讲时曾经提出的预言，这也被认为是对纳米科技的最早构想。在过往的几十年间，纳米科学与技术领域发生了翻天覆地的变化，并取得了可喜的进展。纳米科技的发展不仅给人类带来了对自然界的全新认识，同时也给人类提供了种类繁多且应用广泛的纳米材料。碳纳米管，就是纳米材料中的一个杰出代表。

图2碳纳米管发现者饭岛澄男和碳纳米管模型

　　碳纳米管自1991年被日本NEC公司科学家饭岛澄男报道以来，很快便成为纳米科学技术领域研究的热点。碳纳米管是由一层或者多层石墨烯按照不同的方式卷曲成的空心管，分别称为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管具有力学、电学、热学、声学、磁学以及光学等多方面的优异性能和广阔应用前景。在过去的30年间，研究者们在碳纳米管的生长机理、结构、性能、可控制备以及应用方面开展了海量的研究并取得可喜的成果。早在1895年，前苏联科学家就提出地月之间跨越38万公里搭建“人造天梯”的伟大梦想，而要实现这个梦想就必须找到一种超级材料，科学家计算出迄今为止仅有一种材料能够满足诸此苛刻的要求，它就是：碳纳米管！

图3 地月碳纳米管天梯

　　从理论上讲，碳纳米管具有极为优异的力学、电学及热学等方面的性能。在力学性质方面，由于碳纳米管管层由以sp²杂化方式形成的六元环碳碳最强共价键组成，这赋予了碳纳米管极好的力学性能。理论计算机实验结果表明，碳纳米管的拉伸强度高达100-200GPa，杨氏模量超过1TPa，远远超过碳纤维和钢材的力学强度。在电学性质方面，由于以sp²杂化方式形成的碳碳键具有接近光速1/300的极高电子费米速率，这使其金属型碳纳米管的电子迁移率高达20000cm²/（V·s）以上，碳纳米管所能承受的电流密度是铜线的1000倍；而对于半导体型碳纳米管来讲，由于量子限域效应，其场效应器件的开关比高达10⁷以上。

图4 碳纳米管集成电路

　　这些性能远远超过目前的硅基材料器件，成为下一代电子产业最有竞争力的基元材料，成为打破后摩尔时代瓶颈的关键材料所在，将来可以用碳纳米管排列成各种复杂的网络结构，搭建起上亿个逻辑运算通路，制造出运算速度更快、存储容量更大、功耗更低的“全碳纳米管计算机”。在热学性质方面，碳纳米管的热导率高达6600W/(m·K)以上，是目前室温下最好的导热材料金刚石的3倍以上。