浅析神奇的碳纳米管

【摘要】从石器时代走到如今的新材料时代，材料史的发展反映了人类文明进程。作为纳米碳分子材料的碳纳米管，由于具有较大的比表面积、良好的生物相容性和细胞穿透性等，成为近年的研究热点。本文将简述碳纳米管的性质、以及它在诸多领域的应用，并对该材料提出展望。

【关键词】生物相容性；细胞穿透性；骨组织工程；吸波材料

一、引言

碳纳米管是晶形碳的同素异形体之一，属于富勒烯的一种。人們可通过电子显微镜研究发现它的结构，其结构是由石墨烯层卷起来的圆筒状，属于纳米尺度的材料。碳纳米管不仅具备纳米材料普遍具有的小尺寸效应、表面及界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，还拥有良好的生物相容性、细胞穿透性、良好的力学性能与电学性能，应用前景十分广阔。

二、碳纳米管的发现及结构

上世纪九十年代初，日本的NEC公司基础实验室的高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，就是碳纳米管。可以根据筒形的石墨层的数目将碳纳米管分为单壁和多壁的碳纳米管。单壁管具有很好的对称性，是由单层碳原子绕合而成的，多壁的碳纳米管像同轴电缆一样，由一层一层的碳原子绕成。

碳纳米管是一种由碳原子sp2杂化形成的石墨烯片层卷成的无缝的中空管状体，其力学性能很好，属于轻质材料。碳纳米管的管身不是完全均匀平直的，由于碳六边形的网络中夹杂着不同数目的碳的五边形与七边形，使碳纳米管也有分叉、弯曲等非均匀的形态。由于其独特的性能，一直以来各国对碳纳米管的研究进程一直没有停下脚步。

三、碳纳米管的应用

（一）纳米碳管在骨组织工程的应用

骨组织工程要求材料具有良好生物相容性，要有利于细胞的粘附，无毒，还不能引起炎症反应，要安全的用于人体。其重要因素是要有足够的种子细胞、合适的支架材料、刺激骨分化形成的调控因子和充足的血液供应。因此良好的支架材料显得非常重要，它要具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性，有促进骨细胞增殖的能力，还要具备可塑性和一定的机械强度；当然，该材料还要易于获取、消毒、储存和运输。

羟基磷灰石材料在生理环境下性质很稳定，它属于骨骼的天然成分，因此可被当作修复骨损伤的材料。但是其最大的缺点是力学性能差，强度低，韧性差，承载性差，难以用于人体中的承重材料。碳纳米管的力学性能很好，可以与多种材料复合，改善材料的缺陷。为骨细胞的粘附、生长提供了良好的支撑作用。因此将碳纳米管和羟基磷灰石制成复合材料，可在保持生物相容性的同时，提高其力学性能。

有研究人员将碳纳米管与羟基磷灰石复合材料置入兔子右侧胫骨的缺损处，并进行随后分析发现，在该手术后的几周内伤口损伤处愈合很好。由于该纳米材料特殊的结构，为骨细胞的生长提供了条件。该材料在促进细胞组织的再生修复的同时，而且也抑制了一些对植入体内的材料产生不利影响的纤维组织的生成，实验进一步证实该复合材料生物相容性良好。

（二）碳纳米管/镍铁氧体复合材料在染料废水的应用

随着生活水平的提高，服饰染料领域产生出大量染料废水，由于染料废水中有机物含量高，且难以降解，给水体环境和土壤都带来了严重污染。对此的处理方法很多，但很多都效果不良。由于碳纳米管特殊的管状空隙结构，大的比表面积和良好的化学稳定性，使它在该领域令人瞩目。这不是说碳纳米管没有缺陷，由于它密度太小，难以沉降等特点，造成它难以回收的问题，因此人们想到用镍铁氧体包裹碳纳米管组成复合材料，来改善它的性能。镍铁氧体具有磁性，不仅可以解决碳纳米管由于密度轻，难以沉降回收的问题，并且可以使其具有很强的吸附性。

四、碳纳米管的展望

二十一世纪的纳米科技仍在阔步发展前行，纳米制备技术也在日趋完善，纳米科学成为备受青睐的新兴学科之一。碳纳米管作为纳米材料中不可或缺的一份子，被应用于食品安全、国防军事、生物医学、染料涂料、污水处理等诸多不同的领域。为了我国在该领域有长久的成果与实践，可以将优质的高校及研究所与工业化的生产制备结合起来，并打通不同行业领域之间的壁垒，使得碳纳米管乃至整个纳米材料范围有着广阔坚固的发展链：科学研究——生产制备——实践应用。在此，神奇的碳纳米管还有很多潜力值得人们去挖掘，并将它应用在更多领域。

参考文献

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作者简介：刘思碧（1998.06—），女，汉族，陕西渭南人，本科，研究方向：材料工程。