【摘要】 深度解析SWCNT与MWCNT的结构差异、电学/力学/热学性能，阐述氨基/羧基/羟基功能化修饰的核心作用（改善分散性、提供反应位点、调控界面），及其在电子器件、复合材料、生物医学等领域的应用场景。

单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）虽然名字相似，但在结构、性能和应用的几乎所有方面都存在显著区别。

 

结构：

单壁碳纳米管 (SWCNT)：可以想象成用一张只有一个原子厚度的石墨烯纸（蜂窝状晶格），无缝地卷成一个完美的圆柱体。它的结构非常纯粹，只有一个表面。

多壁碳纳米管 (MWCNT)：则像一组俄罗斯套娃或同心圆套管。每一层都是一个卷曲的石墨烯层，层与层之间通过较弱的范德华力结合，间距约为0.34 nm。这种结构决定了其许多性质是各层性质的平均或组合。

 

性能：

电学性质：SWCNT的电学性质由其手性（即卷曲的角度和直径）唯一决定。通过控制手性，可以制造出性能卓越的晶体管和纳米级电路。而MWCNT由于多层结构，电流传输机制复杂，难以实现像SWCNT那样精确的半导体性能控制，因此更多用作导电添加剂（如导电塑料）、场发射源（如显示屏）和电磁屏蔽材料。

力学性质：SWCNT几乎是完美的的一维材料，碳-碳键极其强韧，几乎没有结构缺陷，因此具有无与伦比的强度和模量。MWCNT虽然整体也很强，但在受力时，层与层之间可能发生滑移，导致其整体强度不如同等粗细的SWCNT。然而，MWCNT的较大尺寸使其在复合材料中更容易处理和分散，能更有效地传递载荷。

 

应用领域：

SWCNT：主要用于高端电子器件（晶体管、传感器）、光电子器件、精密化学/生物传感器以及需要极高强度和热导率的特殊复合材料。

MWCNT：主要用于大宗工业产品，如锂离子电池的导电剂、增强塑料/橡胶的补强填料、抗静电涂料、电磁屏蔽材料、场发射显示器、催化剂载体等。

特性维度

单壁碳纳米管 (SWCNT)

多壁碳纳米管 (MWCNT)

结构

单层石墨烯卷曲而成的单管结构，直径通常为0.8-2 nm。

由多个同心圆筒状的石墨烯层套构而成，层数从2到50层以上，直径通常为5-50 nm。

合成难度与成本

更难合成，对催化剂和反应条件要求极高，成本昂贵。

更易合成，工艺相对成熟简单，成本较低，易于大规模生产。

纯度与缺陷

更容易产生缺陷，且难以提纯（金属催化剂杂质难以去除）。

结构相对更稳定，缺陷较少，更容易提纯。

电学性能

卓越。其导电性取决于手性（卷曲方式），可以是金属性或半导体性。性能均一且可调控。

良好。由于层间相互作用，其电学性质是各层性质的复杂叠加，通常表现为金属性，难以精确调控。

力学性能

极佳。理论杨氏模量约1 TPa，抗拉强度约50-200 GPa，是已知最坚韧的材料之一。

优秀。杨氏模量约为0.3-1 TPa，但由于存在层间滑移，实际强度通常低于SWCNT。

热学性能

极佳。热导率可达 6000 W/mK（与金刚石相当），且是各向同性的优良导热体。

良好。热导率约为 3000 W/mK，层间声子散射限制了其热导率。

光学性能

具有特征吸收和荧光光谱（特别是近红外区），可用于生物成像和光电应用。

不具有类似SWCNT的特定荧光特性。

 

对单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）进行氨基（-NH₂）、羧基（-COOH）和羟基（-OH）修饰，是功能化改性中最常见和关键的手段，旨在解决其本征缺陷并赋予其新的功能。这些修饰的功能既有共通之处，也因官能团特性而有所不同。

 

官能化修饰的三大核心功能

改善溶解性与分散性

问题：原始的CNTs由于巨大的比表面积和强范德华力，极易团聚，几乎不溶于任何溶剂，难以加工和处理。

解决：引入极性官能团（-COOH, -OH, -NH₂）后，极大地增强了CNTs在水和多种有机溶剂中的溶解性和稳定性。这是因为官能团可以与溶剂分子形成氢键，从而被溶剂化，有效阻止CNTs之间的团聚。

应用：这是所有后续应用的基础。没有良好的分散，就无法均匀地复合、纺丝或制成薄膜。

提供反应位点（最关键的功能）。

问题：原始CNTs化学惰性高，表面缺乏可反应的“抓手”，难以与其他物质连接。

解决：这些官能团成为了CNTs表面的活性反应位点，可以通过一系列的化学反应（如酰胺化反应、酯化反应、硅烷化反应等）共价接上各种所需的功能分子。

应用：这是实现CNTs功能化设计的核心，用于连接聚合物、生物分子、金属纳米粒子等。

调控界面性质。

问题：原始CNTs与聚合物基质、生物体等界面相容性差，容易发生相分离。

解决：官能团改变了CNTs表面的极性和化学环境，可以更好地与周围介质匹配。例如，-COOH和-OH使其更亲水，而长链烷基胺修饰后可以变得亲油。

应用：极大增强在复合材料中的界面结合力，提高载荷传递效率。

 

总结：

原始CNTs 就像一块光滑的“磁铁”，容易抱团（团聚），而且没地方下手（惰性表面）。

官能化修饰 相当于在这块磁铁上焊上许多不同的“挂钩”（-COOH, -OH, -NH₂）。

这些“挂钩”本身：

可以让磁铁更容易“泡在水里”（改善分散性）。

可以让磁铁更好地“粘在水泥里”（改善界面）。

更重要的是，你可以通过这些“挂钩”再挂上任何你想要的东西：比如荧光标签（生物成像）、药物分子（靶向给药）、催化剂（催化反应）、高分子链（复合材料）等。

因此，氨基、羧基、羟基修饰是解锁碳纳米管应用潜力的关键第一步，将它们从难以处理的纳米材料转变为可定制、可组装的多功能纳米平台。

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