The applications of carbon nanotubes

解決我們時代中最大挑戰有時涉及利用一些最微小粒子的力量：納米粒子。這裡我們探討了碳納米管（CNTs）的迷人世界，一個納米技術的奇蹟，具有顛覆多個行業的潛力。

什麼是碳納米管？

碳納米管是由碳原子組成的圓柱形中空結構，排列成六角格狀。CNTs 可以是單壁的（SWCNTs）或多壁的（MWCNTs），不同的配置基於其大小和結構提供獨特的特性。碳納米管的直徑是以納米尺度測量的，但它們可以有極高的長徑比，其長度可延伸至毫米範圍。CNTs 的超高拉伸強度，加上其獨特的熱和電導性，可能意味著它們在許多研究領域和應用中變得無價¹。

電子學的新前沿

在過去的 30 年裡， 電子學的一個顯著趨勢是日常電子設備的逐步縮小，而它們的計算能力和複雜性卻增加。對更小而強大的設備的不斷追求是電子行業採用包括 CNTs 在內的納米技術的主要動力。碳納米管的吸引力超越了它們的尺寸。例如，CNTs 展示了優異的導電性能，使其成為開發高性能晶體管的理想候選者²，這可以提供比傳統硅基設備更快的處理速度和更高的能效。此外，CNTs 的機械強度在開發柔性電子產品或經受反復應力和應變的元件時可能具有優勢。

材料科學的進步

碳納米管最令人興奮的應用之一在於其增強複合材料的能力³。將 CNTs 成分嵌入聚合物、金屬和陶瓷中，可生產出顯著更強、更耐用且更輕的複合材料。這些增強的材料在航天構件、汽車零件和運動設備等廣泛應用中具有巨大潛力，這些應用中往往需要在重量和性能之間取得微妙平衡。同樣，CNTs 的機械強度也被用於開發耐磨塗層，提高各種產品的耐久性和功能性。這些塗層在電子行業中特別有價值，因為它們還可以利用 CNTs 的電和熱特性，以保護精密組件。

能源儲存的革命

受可再生能源採用增加和電氣化轉型的推動，能源行業正在經歷一場重大變革。伴隨這一轉型的主要挑戰之一是日益增長的能源儲存需求。由於其儲存和傳導能量的能力，碳納米管可能迅速成為這場革命的關鍵。由於其小粒子的晶格結構，CNTs 具有大的表面積，能夠比傳統電容器存儲更多的電荷。這一行為使得 CNTs 有時被描述為「超級電容器」⁴。此外，在電池技術方面，使用 CNT 增強的電極已被證明可以促進快速離子運輸，這顯著提高了電池的容量、充放電速率，以及因此的效率、性能和壽命。

醫學發現和生物傳感器

因其獨特的物理特性和重要的生物相容性，CNTs 在醫學和生物傳感領域展現了非凡的潛力。由於其納米規模和高表面積，CNTs 可以功能化以攜帶專門的生物分子，實現精準的藥物傳遞⁵。此外，用於藥物傳遞的 CNTs 可以開發至在特定刺激下以控制方式釋放專門療法。這些進展的影響意味著藥物可以直接送達病變細胞或組織，提高治療功效，同時減少副作用。

CNTs 在醫學中另一個令人興奮的應用領域是生物傳感和成像。與其在精準藥物傳遞中的用途相似，CNTs 可以與對比劑或熒光標記物結合，以實現細胞和分子結構的高分辨率成像。此外，利用其獨特的導電特性可以開發能夠檢測血液和其他生物液體中生物標誌物的傳感器。

淨化和過濾

在水處理中，CNTs 在去除污染物、重金屬和病原體方面表現出色，提供了乾淨和安全的水源⁶。它們的高表面積和高孔隙率非常適合吸附重金屬、有機污染物和細菌等污染物。這些特性拓展了它們在空氣過濾系統中的潛力，CNTs 可以捕獲大氣中的有害顆粒，幫助改善空氣質量，減少與空氣污染相關的健康風險。

結論

碳納米管的潛力是廣泛且具有變革性的。從電子學和材料科學到能源儲存和醫學，CNTs 處於創新的前沿。科學進步的一些最大挑戰包括針對越來越複雜疾病的藥物傳遞，電氣化和電池開發，減少和緩解大規模污染以及促進可再生能源轉型。所有這些挑戰都可以通過聰明地使用 CNTs 來解決。

在 Malvern Panalytical，我們很高興能夠成為這場技術革命的一部分，開發能夠讓我們深入了解 CNTs 非凡特性的解決方案，以應對今天的挑戰並利用顆粒和材料科學創造一個更健康和可持續的未來。

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參考文獻

1. Harris, P. J. F. 碳納米管科學：合成、特性和應用。 (劍橋大學出版社, 2009)。
2. Franklin, A. D., Hersam, M. C. & Wong, H.-S. P. 碳納米管晶體管：將電子學從分子中製成。科學 378, 726–732 (2022)。
3. Coleman, J. N., Khan, U., Blau, W. J. & Gun’ko, Y. K. 小而強：碳納米管–聚合物複合材料機械性能的評論。碳 44, 1624–1652 (2006)。
4. Yu, D. 等。碳納米管-石墨烯繩纖維層次結構的大規模合成用於電容儲能。自然納米技術 9, 555–562 (2014)。
5. Jha, R., Singh, A., Sharma, P. K. & Fuloria, N. K. 智能碳納米管藥物傳遞系統：全面研究。藥物傳遞科學與技術雜誌 58, 101811 (2020)。
6. Das, R. 等。水處理中的多功能碳納米管：現在、過去和未來。海水淡化 354, 160–179 (2014)。