碳纳米管表面化学研究：最新成果

本文刊载于《科学观察》2009年第4卷第5期P46-P47。如果您喜欢，欢迎订购我刊。@版权所有中国科学院文献情报中心《科学观察》编辑部。未经许可，不得转载。

碳是最神奇的元素之一。它不但构成了重要生命材料的骨架，而且由于其超强的成键能力，使得生命多姿多彩。它可以是世界上最硬的、绝缘的，也可以是极润滑的、导电的；它可以乌漆墨黑，在工业上大展身手，也可以晶莹剔透，成为恒久爱情的象征。它的历史久远而又年轻，继金刚石和石墨之后，1985年发现了一种新的碳单质，即富勒烯或足球烯，1991年日本科学家Iijima利用电子显微镜又观察到一种新的碳单质，即碳纳米管(carbonnanotubes)。

理想的碳纳米管被认为是由石墨烯片卷曲为管身、富勒烯半球封端而成的管状结构。按照石墨烯片的层数，可分为单壁、双壁和多壁碳纳米管。由于具有独特的一维纳米结构(长径比一般在1000:1以上)、优异的力学性能(其强度为同体积钢的100倍，重量则只有钢的1/6)、特殊的电学性质(可为导体和半导体)及良好的传热性能，碳纳米管自首次报道以来，即受到科学界和工业界广泛而持续的关注。相关科技部门和机构投入了大量的人力和财力对其开展研究。碳纳米管在复合材料、电子器件、场发射显示器、催化剂载体、储氢材料等方面有巨大的应用价值。目前，国外和国内都有多家公司生产碳纳米管，一些公司的多壁碳纳米管年生产能力达到了数十到百吨级，已步入大规模生产和工业化应用阶段。

然而，碳纳米管还有一个特点，就是在溶剂里不溶解、不分散、难润湿，导致其加工困难，在应用中受到图极大限制，其潜力也不能充分发挥。对此，许多科学家开展了深入研究，发现通过表面化学修饰或改性可以有效解决这一难题，并形成了碳纳米管化学这一新领域。(www.xing528.com)

将高分子联结到碳纳米管上不但可以实现增容，而且可以对材料的性能进行裁剪，甚至产生新材料。为此，我们采用了原子转移自由基聚合(ATRP)的活性/可控聚合技术，通过艰苦的摸索和数十次试验，首先在多壁碳纳米管表面实现了聚合物可控接枝，使聚合物的含量和厚度可方便地通过加料比进行调节。为了验证其活性聚合的特点，我们还进一步实现了嵌段共聚，得到了强极性和弱极性聚合物层包覆的纳米管结构。该工作一经JACS发表(2004, 126,412)，便引起了关注。ACSHeart Cut专栏发表评论，认为该工作“为结构及性能可裁剪、基于纳米管的纳米材料及纳米器件的合成与制备开辟了新路”。在2004－2008年间该论文共被引用235次，居化学领域引用率排名的第7位(另一篇有关超支化聚合物的文章排名第1位，已在本杂志2007年第5期特约介绍过)。除了上述的重要性外，我们认为该工作还有其他意义：一是提出并实现了纳米表面可控聚合；二是建立了纳米管表面键入引发点的方法学，对后续工作有启发作用；三是用高分辨透射电镜确证了聚合物包覆碳纳米管后形成的“核-壳”结构，成为后来表征的标准和范例。

在此工作的引领下，经过进一步拓展，我们成功实现了丙烯酸酯、苯乙烯和丙烯酰胺三大类单体在纳米表面的可控聚合，还进行了阳离子和阴离子等原位聚合，将近20种线形和超支化聚合物接枝在碳纳米管表面，并进一步功能化，制备了超顺磁性碳管、贵金属和量子点负载的碳管。这些工作中，还有10篇文章的引用率分别在30次以上。最近，高超等人用点击化学(clickchemistry)实现了碳管和纳米粒子的共价联结(Chem.Commun.,2009, 1655)及聚合物的层叠层共价可控接枝(Langmuir,2009, 25, 5814)；将点击化学与ATRP联用，实现了双边接枝(Macromolecules, 2008, 41, 9581)；用氮宾法实现了碳管表面功能基团的简易可控引入(Chem.Mater., 2009, 21, 360)。除了碳纳米管外，高超等人还对其他碳材料如碳球(Macromol. Rapid Commun., 2005, 26,1133)、碳纳米洋葱(Chem.-Eur. J., 2009,15, 1389)等进行了功能化改性，形成了有特色的碳纳米化学研究方向。

近几年国际上其他课题组也在此方向做了许多工作，一起推动了该领域的快速发展。除可控化学外，目前碳纳米管化学的研究重点趋向于多功能化、简易绿色化、制备可规模化等。相信随着碳纳米管原料生产的低成本化和纳米材料表面改性技术的不断革新，功能化碳纳米管及其他碳纳米材料的大规模应用，特别是在高性能复合材料中的应用，将为时不远。