30年前，科学家首次成功控制合成了单壁碳纳米管。 从那时起，这些纳米管已被纳入从纺织品、体育用品到电池和太阳能电池的各种产品中。 随着其应用范围越来越广，人们对其潜在应用也越来越感兴趣。

鉴于这些材料的独特性能，研究人员正积极探索新的、创新性应用。 成功的应用可能意味着在可再生能源、药物递送等领域取得重大进展。 碳纳米管在许多行业均有巨大的应用前景。

什么是单壁碳纳米管？

单壁碳纳米管可以被视为单层碳原子，类似于被卷成管状的石墨烯。 它们通常在真空炉中生成，其中含有催化剂的底物与含碳的气体前驱体相互作用。 该气体前驱体与催化底物发生反应，促进纳米管生长，其过程类似于半导体制造行业中的薄膜制造工艺。

继1991年发现多壁碳纳米管之后，研究人员公开了单壁碳纳米管的受控反应。 由于多壁纳米管的机械和电气性能可能会有较大差异，因此科学家们转而使用单壁纳米管，以便更好地控制其特征。 合成单壁纳米管的关键性创新是在沉积过程中使用催化剂颗粒。

碳纳米管的特征是碳原子之间具有很强的键。 其抗拉强度可以比钢高，而且重量轻，可导热，可用其他材料填充或与其他纳米级材料结合以实现其特性。

单壁碳纳米管的电学性能也很有趣，并且高度依赖于其结构。 它们可以像金属一样完全导电，也可以像半导体一样导电，具体取决于它们的手性，即沿着其长度方向的螺旋扭曲程度。 随着纳米管在底物上的生长，不同纳米管的手性都不同，并因此决定了单根纳米管具有半导体性质还是金属性能。

当前单壁碳纳米管的应用

单壁碳纳米管具有强度高、重量轻等独特性能，是复合材料的重要组成部分。 它们通常用于防弹衣、网球拍和自行车等体育用品，以及船舶和游艇等耐用品。

碳纳米管的电性能也带来了巨大的可能性，并已用于大众市场的电子产品，如电动汽车的锂离子电池。 最近的一项研究表明，碳纳米管提高了此类电池电极的供电能力和寿命。 由于其具有较高的强度，碳纳米管还可以帮助电池电极更好地承受与充放电循环和弯曲相关的机械应力。

创新机遇

基于电池的能量储存和可再生能源仅是单壁碳纳米管众多潜在应用中的两大应用。 最近在ACS Nano上发表了一篇使用自然语言处理对CAS容合集™进行分析的文章，揭示了一些有趣的趋势和关联。

与期刊出版物相比，有些应用在专利中出现的频率更高，特别是电池、成像和电磁屏蔽。 这表明此类应用被视为具有更大的商业潜力。 近年来，随着电动汽车的普及以及对锂离子电池需求的持续增长，与电池相关的专利申请中涉及单壁碳纳米管的频率也越来越高。

其他领域的学术研究也越来越活跃。 例如，光子学和太阳能电池是活跃的研究领域，而氢储存是一个规模虽小但不断发展的研究领域。 这是因为纳米管表面积较大，可以有效吸附氢气，从而克服了氢储存所面临的长期难题。 在纳米管表面添加纳米颗粒可以促进更多氢气发生反应，从而进一步提高纳米管的氢吸附能力。

在当今这个时代，数字化正在变革制药行业。这为研究人员提供了革命性的工具，进而缩短了产品的上市时间并提高了产品的安全性。 生物医学应用 (如药物递送) 虽然与单壁碳纳米管的其他用例非常不同，但对研究人员而言也很重要，因为这些分子可以在个性化医疗中发挥作用。随着可穿戴和可植入神经技术设备逐渐成为现实，利用纳米管增强导电性的可植入电极是生物医学领域的另一项潜在创新。

这些应用的安全性、有效性和一致性还需要更多的研究和论证，但它们表明单壁碳纳米管具有巨大的科学可能性。

纳米技术的巨大潜力

在过去的30年里，单壁碳纳米管已经从基础实验室研究的主题发展成为众多行业的商业化创新成果。 目前，它们在能源转型、电动汽车的发展，甚至个性化医疗中均发挥着关键作用。

纳米管和其他新纳米材料将继续重塑未来。 从生物材料的可持续替代品到生物医学领域的3D打印等新型应用，在未来几年内，此类创新将持续增速。