碳納米材料正處于大發展大突破的前夜

以富勒烯、金屬富勒烯和碳納米管為代表的碳 納米材料，在經歷了20世紀90年代的研究高潮后，已進入較為平穩扎實的研究階段。隨著研究的不斷深入，碳納米材料在人類生產和生活中正顯示出越來越多的 不可替代的重要作用。出席日前在京舉行的以“碳納米材料的發展戰略”為主題的第370次香山科學會議的專家認為，以富勒烯為代表的碳納米材料，經過多年的 積累正處于大發展大突破的前夜，碳納米材料展示出令人鼓舞的應用前景。

推動納米科學繁榮

    會議執行主席、中科院化學所研究員王春儒作了題為《碳納米材料的發展與應用》的評述報告。王春儒說，碳納米材料是納米科學最為活躍的研究領域之一。納米科 學的快速發展很大程度上得益于20世紀80年代以來發現的富勒烯、納米管和石墨烯等碳納米材料。目前，碳納米材料已從富勒烯和納米管擴展到納米角、石墨烯 直至最近剛剛出現的石墨炔等一系列新材料，并極大地推動納米科學的繁榮。

    以富勒烯為例，其形成機理已基本明確?？茖W家們利用各種方法合成分離了小至C20，大至C240的富勒烯；進一步研究還發現，當有金屬原子嵌入富勒烯內形 成金屬富勒烯或對碳籠表面進行修飾，極其不穩定的違反獨立五元環規則的富勒烯亦可被穩定下來，由此開辟了富勒烯研究的新領域。

    近年來，我國在富勒烯和金屬富勒烯類功能材料研究方面也取得長足進步。中科院化學所、廈門大學、北京大學等多家科研機構在富勒烯和內嵌富勒烯的合成、分 離、化學修飾、分子組裝、生物醫學、光電材料、催化等方面做了大量工作，并在新結構富勒烯研究、富勒烯衍生物研究等方面取得系列成果。

    碳納米管在機械方面具有非常高的機械強度和彈性，在電子學方面具有優良的導體或半導體特性；在光學方面具有優異的非線性光學性質。納米管這些優良的特性使 其有可能被廣泛應用在信息、光電、生命、能源、傳感、材料等各個領域，成為納米科學領域持久不衰的研究熱點之一。目前，碳納米管科學仍處在快速發展之中， 新發現、新應用層出不窮。

    石墨烯是近幾年飛速發展起來的一種碳納米材料。單層石墨烯厚度只有0.335nm，它最大的特性是導電速度極快，遠遠超過其他導體材料，可用在導電薄膜、電極材料、傳感器等方面。石墨烯還有強度大的優點，可作為添加劑廣泛應用到高強度復合材料之中。雖然石墨烯發現不足10年，但已步入研究的黃金時期。

大力推動應用研究

    與會專家介紹，富勒烯新材料的許多不尋常的特性幾乎都可以在現代科技和高技術產業方面找到實際應用，在許多高新技術領域的潛在應用價值可能是關鍵性的和無 法替代的?；诟焕障┑膯畏肿诱?、放大效應的發現，顯示出富勒烯在納米電子學方面廣闊的應用前景；由C60衍生物制作的太陽能電池具有柔性和低成本等特 點，其產品開發已接近實用階段。

    碳納米管由于其高機械強度和彈性、優良的半導體特性，以及高比表面積和強吸附特性，使其在儲能、單電子晶體管、高能微型電池、高能電容器、高溫防護材料等 領域有巨大的應用前景。碳納米號角作為納米管的一種特殊形式，由于無催化劑污染、均勻的納米尺寸結構和大的比表面積和空腔，將在藥物的靶向輸送和緩釋方面 有重要的應用價值。

    石墨烯自從2004年被發現以來，有關的研究和新聞就未曾間斷過?，F在，科學家首次證實了石墨烯是目前世界上已知強度最高的材料。石墨烯由于具有優異的電 學、熱學和力學性能，可望在高性能納電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。

    工業化生產是碳納米材料應用研究的基礎。與會專家指出，目前碳納米材料的工業化生產問題還沒有完全解決。雖然納米管、富勒烯等碳納米材料都可以實現量產， 但是生產富勒烯的成本高、納米管的純化難等技術問題亟待解決。富勒烯、非常規富勒烯的制備問題是研究人員面臨的一項巨大挑戰；對于碳納米管，其結構可控制 備可能是未來研究的重點；而對于石墨烯來說，如何獲得大面積、均勻的石墨烯仍是目前石墨烯制備中未攻克的難點。

    此外，為實現碳納米材料的工業化應用，其宏量制備是基礎。因此專家建議，對于富勒烯納米材料，應重點研究如何低成本大規模生產，提高產出率；對于納米管材 料，應加強對層數可控、手性可控、高純度、少缺陷制備技術的探索；對于石墨烯類納米材料，應重點攻克大規模制備技術難題。