1991年1月由日本NEC公司的物理学家饭岛澄 男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中 发现碳纳米管。 科学家们预测碳纳米管将成为21世纪最有前途 的一维纳米材料，纳米电子器件材料和新一代平板 显示材料。

　　碳纳米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管 状的材料，管的直径一般为几纳米(最小为1纳米左 右)到几十纳米，管的厚度仅为几纳米。 实际上，碳纳米管可以形象地看成是类似于极 细的铁丝网卷成的一个空心圆柱状的长“笼子”。 碳纳米管的直径十分微小，十几万个碳管排起来才 有人的一根头发丝宽；而碳纳米管的长度却可到达 一百微米。

　　国际化学界权威学术刊物《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)刊发了中国科技大学陈乾旺教授领 导的研究组的论文“低温还原二氧化碳(CO2)合成 金刚石” 。 他们自己研制高压反应釜进行实验，用安全无 毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为还原剂，在 440℃和800个大气压的条件下，经过12小时的化学 反应，终于成功地将CO2还原成了金刚石。 能生长出1.2毫米的金刚石，有望达到宝石级， 产物外观无色、透明，可与天然金刚石媲美。 此法CO2转化金刚石的产率达8.9% ，工艺重复 性好。

　　美国贝尔实验室的研究小组使用富勒烯在较高温 度下(117K)制造出了电阻为零的有机超导体。

　　在学术界，一般认为碳的同素异形体包括： 金刚石、石墨、碳笼原子簇和碳纳米管。

　　石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2 杂化成键；无定形碳和碳黑都是微晶石墨。

　　从1992年起，中国科学院物理所解思深研究员 开始利用放电法和化学方法制备碳纳米管。 1995年 发明了一种在孔内含有纳米催化剂颗粒的、多孔的 二氧化硅的衬底上生长定向碳纳米管的方法（已获 中国发明专利），制备出大面积、高密度、离散分 布的定向碳纳米管。管径均匀为20纳米，管间距为 100纳米，管长约为100微米。 这一研究工作，于1996年在 “Science”上发表。

　　化学气相沉积法因设备简单最可能实现可大规 模工业化生产，而成为目前研究最广泛的碳纳米管 合成方法。

　　按照催化剂的形态不同，可以分为基种法和浮 动法两种。 基种法的催化剂颗粒事先准备好后放置在反应 室中，而浮动法的催化剂在反应室的位置不固定， 通常在反应室中漂浮。

　　它主要以C2H2气体做碳源，以金属催化剂做晶种， 在相对低的温度下（500～1000℃）C2H2裂解而得到 碳纳米管。 由于生长温度较低，所得的碳纳米管不直， 常含有较多的缺陷和杂质。如图中白色箭头所示。

　　光学性质 C60具有非线性光学性质，随着光强不同，它 对入射光的折射方向也发生改变。C70能把普通光转 化成强偏振光，因此C70有可能用作三维光学电脑开 关，可能用于光纤通讯。

　　医学领域 某些水溶性C60衍生物具有生物活性。二氨基二 酸二苯基C60具有抑制人体免疫缺损病毒酶HIVP的 功效，因此有可能从富勒烯衍生物中开发出一种治 疗艾滋病的新药。

　　碳纳米管的分类 １、按石墨层数分类 根据组成碳纳米管管壁中碳原子层的数目，碳 纳米管可被分为单壁碳管和多壁碳管。

　　２、按手性分类 根据手性分类，碳纳米管可分为非手性型管 （对称）和手性型管（不对称）。 对于非手性碳纳米管，其结构可以经过一定的 对称操作而重合。 非手性型管可分为：扶手椅型管和锯齿型管。

　　碳纳米管与石墨一样，碳原子之间是sp2杂化，每个碳原 子有一个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上，因此碳纳米 管具有优良的导电性能。根据卷曲情况的不同，碳纳米管的电 学特性可表现为金属型或半导体型。

　　碳纳米管是由自然界最强的价键之一，sp2杂化形成的C ＝C共价键组成，因此碳纳米管是所有已知最结实、刚度最高 的材料之一。它弹性模量大于1TPa，能承受大于40%的张力应 变而不会呈现脆性行为、塑性变形或键断裂

　　C240乃至C540等，它们都具有空心的球形结构，属于 笼形碳原子簇分子。由于C60的结构类似建筑师 Buckminster Fuller设计的圆顶建筑，因而称为富勒 烯(Fullerend)，也有布基球、足球烯、球碳、笼碳

　　富勒烯的应用前景 从化学和材料科学的角度来看，富勒烯具有重 要的学术意义和应用前景，其中最早令人关注的是 金属掺杂富勒烯的超导性。 由于室温下富勒烯是分子晶体，C60的能带结 构表明是半导体，能隙为1.5eV。但经过适当的金 属掺杂后，都能变成超导体。 掺杂富勒烯超导体有两个特点： 一是与一维 有机超导体和三维氧化物超导体不同，掺杂富勒烯 超导体是各向同性非金属三维超导体；二是超导临 界温度Tc比金属超导体高，如掺杂I的IxC60的Tc已达 57 K。

　　动态法 利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。 动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产 生，在被冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨 转化为金刚石。该法作用时间短(仅几微秒)，压力 及温度不能分别加以控制，但装置相对简单，单次 装料多，因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过 烧结成大颗粒多晶体，但质量较差。 石墨转化法所得的金刚石往往是细粒乃至粉末， 使用时往往需烧结。此外，产品中还含有未反应的 石墨、催化剂等杂质，因此还需提纯。这种产品主 要用于精密机械制造领域。

　　气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是 附在基体上的金刚石薄膜。 气相法成功地制成了膜状金刚石，使金刚石的 应用范围大大扩展，因为高温高压合成的金刚石及 天然金刚石的应用只是利用其高硬度特性，其他优 异的特性均因形态的限制而未能得到很好的开发和 利用。膜状金刚石必然会进入半导体工业、电子工 业及光学等领域。

　　得了令人瞩目的进展。这些以单质碳为基础的无机 碳化学给人们展现了无限的想象空间。  IBM表示将开发在碳纳米管上融合一片集成电路

　　C60 是20世纪的重大科学发现之一。Kroto等人 因此而荣获1996年诺贝尔化学奖。

　　以C60为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原 子分别以五元环和六元环而构成球状。如C60就是由 12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体， 像一个足球。每个五边形均被5个六边形包围, 而每 个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形。

　　碳纳米管与石墨、金刚石一样，都是良好的热导体。 其热学性能不仅与组成它的石墨片本质有关，而且与其 独特的结构和尺寸有关。

　　电弧法是最早的制备碳纳 米管的方法，工艺比较简 单。它是在真空反应器中 充以一定压力的惰性气体 或氢气，采用较粗大的石 墨棒为阴极、细石墨棒为 阳极，在电弧放电的过程 中阳极石墨棒不断被消耗， 同时在石墨阴极上沉积出 含有碳纳米管的产物。 催化剂的种类、配比，电流大小、不同气氛等，可 以制备出单壁、双壁和多壁碳纳米管。

　　激光蒸发法 激光法是用高能 量密度激光照射 置于真空腔体中 的靶体表面，将 碳原子或原子基 团激发出靶的表 面，在载体气体 中这些原子或原 子基团相互碰撞 而形成碳纳米管。

　　此外C60能承受20Gpa的静压，可用于承受巨大 压力的火箭助推器； C60的球形结构，可望成为超级润滑剂；

　　广泛的应用还有许多问题需要解决。例如，富勒烯 及其衍生物的合成必须有新的突破，因为目前成功 的合成法所得的富勒烯成本是很高的，很大程度地 限制了其应用的研究开发。

　　 C60的合成 1985年以激光气化石墨法只能制取几毫克的 C60，不足以开展大量的研究。直到1990年，C60的 合成才取得突破。目前C60的合成法主要可分为以下 两种： ★石墨气化法 电弧放电法气化石墨，每小时可气化10g，产 物是一种黑色粉末，是C60和C70的混合物。用升华 法、色谱法等可得到纯的C60和C70。 ★纯碳燃烧法 在573～673 K真空中加热特制的炭黑，收集蒸 气凝结成的固体，制得C60和C70。

　　石墨具有层状晶体的结构。在晶体中，C原子 采用sp2杂化轨道成键，彼此间以键连接在一起， 同时在同一层上还有一个大  键。

　　石墨内部的碳原子呈层状排列，一个碳原子周围只有 3个碳原子与其相连，碳与碳组成了六边形的环状， 无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常 弱，而层内三个碳原子联系很牢，因此受力后层间就 很容易滑动，这就是石墨很软能写字的原因。

　　金刚石呈正四面体空间网状立体结构，碳原子 之间形成共价键。当切割或熔化时，需要克服碳原 子之间的共价键，金刚石是自然界已经知道的物质 中硬度最大的材料，它的熔点高。 金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光 学工业、半导体工业及化学工业。天然金刚石稀少， 只限于用作装饰品，因此人工合成金刚石正在成为 碳素材料中的重要研究开发领域。

　　３、按导电性能分类 按照碳纳米管的导电性能，可分为导体性管和 半导体性管。 单壁碳纳米管的导电性能介于导体和半导体之 间，其导电性能取决于碳纳米管的直径和螺旋角。

　　４、按排列状况分类 按照碳纳米管的排列状况分类，碳纳米管可分 为定向的和无序的碳纳米管。 由于碳纳米管长径比很大，而且具有良好的柔 韧性，使得制备出来的碳纳米管易于发生弯曲而相 互缠绕，影响碳纳米管的性能。 获得大面积的、定向排列的多壁碳纳米管，甚 至是定向排列的单壁碳纳米管阵列具有重要的意义。

　　碳纳米管的结构 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构 （径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管 子两端基本上都封口）的一维量子材料，可看作是 由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆 柱体，两端由富勒烯半球封帽而成。 碳纳米管的实际结构比理想模型复杂得多，它 是由理想同心石墨片圆柱形结构，而很多是卷曲石 墨结构，结构中存在大量位错，而且横截面是多边 椭圆形。

　　金刚石的合成 金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合 成方法大致可分为两类：石墨转化法和气相合成法 ★石墨转化法 常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但 在高温高压(由疏松到致密)下可能实现这种转化， 其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。

　　石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法 两种。 静态超高压高温法 用高压设备压缩传压介质产 生3～10GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将 合成腔加热到l000～2000℃高温。其优点是能较长 时间保持稳定的高温高压条件，易于控制。该法可 得到磨料级金刚石，但设备技术要求高。 为了获得粒度较大的优质金刚石单晶，普遍采 用过渡金属(Ni，Fe，Co等)及其合金作触媒，保持 约5GPa的压力、1500K的温度到一定的时间，使石 墨转化金刚石。要获得优质粗粒的金刚石单晶，一 般用石墨片与触媒片交替组装的方式。