●一片孤立的石墨片在其边缘由于存在有大量的悬挂键，能量 较高，并不稳定。将石墨片卷成灌装可以消除两边的悬挂键， 由于悬挂键的减少，系统总能量也相应降低。碳纳米管的能 量要低于相应石墨片的能量，这就是碳纳米管在自然界中可 以存在并可以大批量制备的根本原因。 ●另一方面，将石墨片卷曲成碳纳米管必将改变石墨片上C-C 网格的完美几何拓扑，即改变键角引入应变能。应变能的大 小随碳纳米管直径的减小呈指数增加，最终超过由于减小孤 立石墨片边缘的悬桂键所带来的能量降低，碳纳米管的能量 因而要高出石墨片的能量。 日本科学家Sawada和Hamada-早在1992年就预言最小的碳纳米 管的直径约为0.4nm。 同年，Ajayan和ijima发现当时最小单壁碳纳米管，直径约为 0.7nm
⚫ 一片孤立的石墨片在其边缘由于存在有大量的悬挂键，能量 较高，并不稳定。将石墨片卷成灌装可以消除两边的悬挂键， 由于悬挂键的减少，系统总能量也相应降低。碳纳米管的能 量要低于相应石墨片的能量，这就是碳纳米管在自然界中可 以存在并可以大批量制备的根本原因。 ⚫ 另一方面，将石墨片卷曲成碳纳米管必将改变石墨片上C-C 网格的完美几何拓扑，即改变键角引入应变能。应变能的大 小随碳纳米管直径的减小呈指数增加，最终超过由于减小孤 立石墨片边缘的悬挂键所带来的能量降低，碳纳米管的能量 因而要高出石墨片的能量。 日本科学家Sawada和Hamada早在1992年就预言最小的碳纳米 管的直径约为0.4nm。 同年，Ajayan和Iijima发现当时最小单壁碳纳米管，直径约为 0.7nm
The smallest 4 A carbon nanotube 2000年lijima等人在Nature.上 报道，他们将石墨棒置于充满 氢气的气室内，在没有催化剂 的情况下用高压电孤放电，制 备出共有18层管壁的多壁碳纳 米管，其中最内层的碳纳米管 直径仅0.4nm。在产物中，大 多数多壁碳纳米管的端帽被氢 刻蚀掉而开口，这样就有可能 使小直径的碳纳米管在已经长 成的多壁碳纳米管内腔成核。 图像中的对比度越靠近管腔 越弱，这是因为碳纳米管的 直径越小，所含碳原子数量 也越少。 图5多壁碳纳米管高分辨电子显微镜图片，其 中最里层的碳管的直径只有0.4纳米。 (图片由日本NEC Sumio lijima提供)
2000年Iijima等人在Nature上 报道，他们将石墨棒置于充满 氢气的气室内，在没有催化剂 的情况下用高压电弧放电，制 备出共有18层管壁的多壁碳纳 米管，其中最内层的碳纳米管 直径仅0.4nm。在产物中，大 多数多壁碳纳米管的端帽被氢 刻蚀掉而开口，这样就有可能 使小直径的碳纳米管在已经长 成的多壁碳纳米管内腔成核。 图像中的对比度越靠近管腔 越弱，这是因为碳纳米管的 直径越小，所含碳原子数量 也越少。 The smallest 4 Å carbon nanotube
The smallest 3 A carbon nanotube B A→ ('n'e)aoues!O A 3A 3.4A A (n'e)isenuoo X.Zhao et al.:Phys.Rev.Lett.92 (2004),125502
The smallest 3 Å carbon nanotube X. Zhao et al.: Phys. Rev. Lett. 92 (2004), 125502
碳纳米管的结构能量 ·对于整个弯曲碳纳米管而言，影响其形状结构的因素很多，但起主要作 用的是以下三个因素： √弯曲弹性能，即碳石墨层卷曲形成碳纳米管后的能量增量 √面内形变能，即碳石墨层形成碳纳米管后，碳一碳键的伸缩引起的能量改变 √层间van der Waals结合作用，对于多层碳纳米管，主要是层与层之间的van der Waals相互作用；对于单层碳纳米管束，主要是管与管之间的van der Waals相互作用 ·以上三项能量统称为碳纳米管的形状结构能， 其中前两项之和定义为碳纳米管的形变能。不同的形状能量对应着不同 形状的碳纳米管
碳纳米管的结构能量 ⚫ 对于整个弯曲碳纳米管而言，影响其形状结构的因素很多，但起主要作 用的是以下三个因素： ✓弯曲弹性能，即碳石墨层卷曲形成碳纳米管后的能量增量 ✓面内形变能，即碳石墨层形成碳纳米管后，碳－碳键的伸缩引起的能量改变 ✓层间van der Waals结合作用，对于多层碳纳米管，主要是层与层之间的van der Waals相互作用；对于单层碳纳米管束，主要是管与管之间的van der Waals相互作用 ⚫ 以上三项能量统称为碳纳米管的形状结构能， 其中前两项之和定义为碳纳米管的形变能。不同的形状能量对应着不同 形状的碳纳米管
碳的米管的制备 传统的制备方法： 直流电弧放电法 更多制备方法： 1.有机气体的催化热解法(CVD)、 2.激光蒸发石墨法、 3.有机气体等离子体喷射法、 4.准自由条件生长法、 5.凝聚相电解生成法 6.燃烧火焰法 制备方法特点： 通过各种外加能量，将碳源离解原子或离子形式，然后在凝聚就可以得 到这种碳的一维结构
碳纳米管的制备 传统的制备方法: 直流电弧放电法 更多制备方法: 1.有机气体的催化热解法(CVD)、 2.激光蒸发石墨法、 3.有机气体等离子体喷射法、 4.准自由条件生长法、 5.凝聚相电解生成法 6.燃烧火焰法 制备方法特点: 通过各种外加能量，将碳源离解原子或离子形式，然后在凝聚就可以得 到这种碳的一维结构