26、碳纳米管在生物医学应用中的功能化研究

碳纳米管在生物医学应用中的功能化研究

1. 碳纳米管的结构、物理和化学性质

碳纳米管（CNTs）是具有纳米级直径的圆柱形碳管，其结构和电子特性由长度、直径和手性决定。碳纳米管主链上的碳原子以稠合苯环序列排列，具有很大的长径比。和石墨烯一样，碳纳米管中的碳原子通过sp²杂化形成共价键。

根据圆柱管的数量，碳纳米管可分为单壁碳纳米管（SWNT）、双壁碳纳米管（两个同心圆柱）和多壁碳纳米管（MWNTs，多个同心圆柱）。SWNTs是具有单原子壁厚的空心长结构，而MWNTs则是同心环绕中心碳纳米管，具有多层石墨碳管。一般来说，SWCNTs的直径在1 - 2 nm之间，MWNTs的直径在10 - 100 nm之间，长度从50 nm到1 cm不等。

SWCNTs的结构形态包括侧壁和尖端。通过将石墨烯薄膜卷曲的方向，可以确定三种不同的管状结构：手性、扶手椅型和锯齿型，用手性指数（m, n）表示。直径和手性角的变化会导致不同的结构和性质。手性和锯齿型碳纳米管具有类似半导体的性质，而扶手椅型碳纳米管则具有类似金属的电学性质。

SWNTs和MWNTs都具有出色的机械强度，拉伸强度约为11 - 200 GPa，杨氏模量约为0.27 - 1.34 TPa。此外，碳纳米管还具有优异的热导率（5000 Wm⁻¹K）和良好的导电性（10⁴ S/cm²）。其电学性质和导电结构可以通过研究石墨烯的电学行为来推断。

然而，碳纳米管通过强大的非极性共价键连接，表面的疏水特性使其在大多数有机溶剂和水中不溶。高长径比和范德华力还会导致碳纳米管团聚，这是碳纳米管应用中的一个主要挑战，会降低其机械、化学和电学性能。为了克服这一限制，人们广泛研究了碳纳米管的功能化。

碳