低維與奈米尺度系統

碳奈米管

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拿一張紙,捲成一根吸管。現在設想這張紙是石墨烯——單層的碳原子,而這根吸管細到,把成千上萬根並排放在一起,也幾乎抵不上一根頭髮絲那麼寬。這根小小的捲管,就是碳奈米管。

碳奈米管正是這樣:把一張石墨烯捲成一根無縫的空心圓筒,有時兩端還像封口的試管一樣蓋著帽。讓石墨烯堅韌的那些強碳鍵,如今繞著圓筒兜了一整圈,於是這根管子成了已知材料中按重量論最堅硬、最強韌的幾種之一。有趣的是,蜂窩圖案在捲繞時傾斜的角度——也就是「捲繞方向」——決定了一根管子究竟會像金屬那樣導電,還是表現得像半導體。

碳奈米管之所以重要,是因為它把驚人的強度、輕盈的重量和可調的電學行為,全都濃縮進一個僅約一奈米寬的物體裡,使它有望用來做超強纖維、微型電晶體和導電薄膜。誠實的提醒是:真實批次相當雜亂:做出來的是一團纏在一起、大小不一、金屬與半導體混雜的管子,要把它們乾淨地分揀開來仍然很難,這限制了它們在精密電子學中的應用。

一束碳奈米管,按同樣的重量算,可以比鋼強上幾百倍。工程師們已經把它們織成纖維和導電薄片,而它也是科學家設想中「太空電梯」纜繩最鍾愛的一種思想實驗材料。

若按同等重量比較,碳奈米管是迄今測得最強韌的材料之一。

碳奈米管常被稱為一維材料:電子能沿著它的長度自由前行,卻被緊緊裹在它細小的周長上,所以對它們而言,真正算得上「可移動方向」的只有長度。

又稱
CNT碳纳米管