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图1.1 碳纳米管结构示意图[8]
碳纳米管按其层数可分为单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube，SWNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWNT)。单壁碳纳米管由单层石墨烯绕合而成，直径约为1 nm，长度为10~1012 nm。其中每个碳原子与相邻的三个碳原子连接，形成如同蜂巢的751边形网状结构，以sp2杂化为主，结构具有较好的对称性与单一性。多壁碳纳米管由一系列不同直径的同轴单壁碳纳米管组成，其直径在2~100 nm之间，相邻碳管间距大约为0.34 nm[9,10]。多壁碳管在形成的时候，层与层之间很容易成为陷垒中心而捕获各种缺陷，因而其管壁上通常布满了小洞样的缺陷，而单壁碳纳米管则不存在这样的缺陷[7]。
1.2.2 碳纳米管性质
碳纳米管具有很高的比表面积（700~1000 m2/g）和很低的密度(SWNT为1.33~1.40 g/cm3)。作为一种具有极高长径比的一文纳米材料，碳纳米管是目前为止已知的具有最高比强度的材料，它同时拥有超强的弹性，可以弯曲很大角度而不折断[10,11]。世界各国的研究者们对碳纳米管的这些优异性质十分关注，很多人将这些特性应用到实际生产当中，使原有材料性能得到了极大的改善，取得了十分良好的效果。
1.2.2.1 碳纳米管的力学性能
材料的强度取决于其原子之间原子键的类型和强度。碳纳米管由自然界最强价键之一的sp2 C=C共价键组成，因此理论上碳纳米管具有很高的力学强度。许多研究的力学测试也证明了，碳纳米管是一种力学强度极佳的纳米材料。碳纳米管的杨氏模量超过了1 TPa，与金刚石相当，相比于钢铁的200 GPa。其拉伸强度在50 GPa以上，比最硬的钢铁还要硬10~100倍，而密度只有钢铁的751分之一。不仅如此，碳纳米管还表现出极高的韧性，它可以经过一定的弯折、扭曲、挤压后恢复原状。再加上其超高的长径比(>1000:1)，因而碳纳米管被人们称为“超级纤文”。
1.2.2.2 碳纳米管的电学性能
由于碳纳米管中存在离域大π键，显著的共轭效应使得碳纳米管具有许多特殊的电学性质。研究显示，碳纳米管的金属性或半导体性与其手性相关。扶手椅型（手性角30°）碳纳米管是金属性的,导电率可达铜的104倍，锯齿型（手性角0°）碳纳米管和手性型（0°<手性角<30°）碳纳米管则为部分半导体性部分金属性[7,12]。对于金属性单壁碳纳米管来说，其电子迁移率可达105 cm2 /V•s，导电率则高达4×105 S/cm，其高达109 A/cm2的载流能力更是已知材料中最高的，为铜的1000倍[13]。这些优异的电学性能令碳纳米管在电子元器件的应用上具有极大的潜力。
1.2.2.3 碳纳米管的生物相容性
虽然有研究显示，未经修饰的碳纳米管在高浓度下具有轻微的细胞毒性，但目前为止尚无定论。实验表明，化学功能化的碳纳米管并不具备明显的细胞毒性，并且以其修饰过的电极对于细胞的增殖生长无显著的抑制作用[14,15]，总体上表现出良好的生物相容性。事实上，由于其阻抗低，碳纳米管可以提升神经细胞信号记录并且放大细胞间的电刺激[16]，这些特点使得碳纳米管在生物化学领域具有巨大的应用前景。
1.2.3 碳纳米管修饰电极
正是由于碳纳米管优异的物理、化学特性以及良好的生物相容性，用碳纳米管修饰生物电极与普通电极相比具有很多优势。碳纳米管可以将其低阻抗、高比表面积等特点带给经其修饰的电极。对其进行改性后，还能改善碳纳米管疏水和易团聚的缺点[17]。此外，可在碳纳米管上修饰相关的生物衍生化合物，例如缩氨酸，蛋白质和DNA，在药物释放应用中发挥至关重要的作用。