碳纳米材料发展多年正处于大突破前夜

以富勒烯、金属富勒烯和碳纳米管为代表的碳纳米材料，在经历了20世纪90年代的研究高潮后，已进入较为平稳扎实的研究阶段。随着研究的不断深入，碳纳米材料在人类生产和生活中正显示出越来越多的不可替代的重要作用。出席日前在京举行的以 “碳纳米材料的发展战略”为主题的第370次香山科学会议的专家认为，以富勒烯为代表的碳纳米材料，经过多年的积累正处于大发展大突破的前夜，碳纳米材料展示出令人鼓舞的应用前景。

会议执行主席、中科院化学所研究员王春儒作了题为《碳纳米材料的发展与应用》的评述报告。王春儒说，碳纳米材料是纳米科学最为活跃的研究领域之一。纳米科学的快速发展很大程度上得益于20世纪80年代以来发现的富勒烯、纳米管和石墨烯等碳纳米材料。目前，碳纳米材料已从富勒烯和纳米管扩展到纳米角、石墨烯直至最近刚刚出现的石墨炔等一系列新材料，并极大地推动纳米科学的繁荣。

以富勒烯为例，其形成机理已基本明确。科学家们利用各种方法合成分离了小至C20，大至C240的富勒烯；进一步研究还发现，当有金属原子嵌入富勒烯内形成金属富勒烯或对碳笼表面进行修饰，极其不稳定的违反独立五元环规则的富勒烯亦可被稳定下来，由此开辟了富勒烯研究的新领域。

近年来，我国在富勒烯和金属富勒烯类功能材料研究方面也取得长足进步。中科院化学所、厦门大学、北京大学等多家科研机构在富勒烯和内嵌富勒烯的合成、分离、化学修饰、分子组装、生物医学、光电材料、催化等方面做了大量工作，并在新结构富勒烯研究、富勒烯衍生物研究等方面取得系列成果。

碳纳米管在机械方面具有非常高的机械强度和弹性，在电子学方面具有优良的导体或半导体特性；在光学方面具有优异的非线性光学性质。纳米管这些优良的特性使其有可能被广泛应用在信息、光电、生命、能源、传感、材料等各个领域，成为纳米科学领域持久不衰的研究热点之一。目前，碳纳米管科学仍处在快速发展之中，新发现、新应用层出不穷。

石墨烯是近几年飞速发展起来的一种碳纳米材料。单层石墨烯厚度只有0.335nm，它最大的特性是导电速度极快，远远超过其他导体材料，可用在导电薄膜、电极材料、传感器等方面。石墨烯还有强度大的优点，可作为添加剂广泛应用到高强度复合材料之中。虽然石墨烯发现不足10年，但已步入研究的黄金时期。

与会专家介绍，富勒烯新材料的许多不寻常的特性几乎都可以在现代科技和高技术产业方面找到实际应用，在许多高新技术领域的潜在应用价值可能是关键性的和无法替代的。基于富勒烯的单分子整流、放大效应的发现，显示出富勒烯在纳米电子学方面广阔的应用前景；由C60衍生物制作的太阳能电池具有柔性和低成本等特点，其产品开发已接近实用阶段。

碳纳米管由于其高机械强度和弹性、优良的半导体特性，以及高比表面积和强吸附特性，使其在储能、单电子晶体管、高能微型电池、高能电容器、高温防护材料等领域有巨大的应用前景。碳纳米号角作为纳米管的一种特殊形式，由于无催化剂污染、均匀的纳米尺寸结构和大的比表面积和空腔，将在药物的靶向输送和缓释方面有重要的应用价值。

石墨烯自从2004年被发现以来，有关的研究和新闻就未曾间断过。现在，科学家首次证实了石墨烯是目前世界上已知强度最高的材料。石墨烯由于具有优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。

工业化生产是碳纳米材料应用研究的基础。与会专家指出，目前碳纳米材料的工业化生产问题还没有完全解决。虽然纳米管、富勒烯等碳纳米材料都可以实现量产，但是生产富勒烯的成本高、纳米管的纯化难等技术问题亟待解决。富勒烯、非常规富勒烯的制备问题是研究人员面临的一项巨大挑战；对于碳纳米管，其结构可控制备可能是未来研究的重点；而对于石墨烯来说，如何获得大面积、均匀的石墨烯仍是目前石墨烯制备中未攻克的难点。