从电池到药物递送：碳纳米管的新兴应用

碳纳米管 (CNT) 是一种纳米级结构，具有改进不同材料的巨大潜力，但其在化学和电学性能、纯度以及成本等方面的不一致性，以及人们对其可能存在的毒性的担忧，带来了持续的挑战。 CNT 是一种一维碳同素异形体，由 sp2 杂化碳晶格组成，呈圆柱形。 单壁 CNT 是一种简单的管子，而多壁 CNT 则为同心嵌套或像卷轴一样包裹起来（图 1）。

这些纳米级材料具有非常高的杨氏模量和拉伸强度，并具有金属或半导体电学性能。 控制它们的原子排列（手性）会影响其导电性，因此，研究人员一直试图了解如何利用合成参数来生成具有可预测电学性能的 CNT。 在过去 20 年中，各种基于化学气相沉积 (CVD) 合成 CNT 的配方的开发改善了这一状况。

正如我们在分析 CAS 内容合集™（业内最大的人工标引的已发表科学信息合集）时所看到的，专利活跃度的增加表明人们对 CNT 的商业应用兴趣浓厚（图 2）。

电池技术领域的专利增长

CNT 的强度和导电性使其在电池材料中发挥重要作用，在充放电循环过程中提供机械支撑，从而延长电池寿命，同时还可作为导电通道。 我们对 CNT 相关出版物的分析显示，专利出版物引用电池的频率是期刊出版物的三倍。 （图 3）

这些出版物趋势反映了 CNT 的商业可行性，以及它们在越来越多的电动汽车和智能设备电池应用中的潜力。 大量电池专利来自中国、韩国和美国，可能是受到这些地区的大型消费电子产业和电动汽车制造商的推动。

CNT 出版物涉及几种电池化学成分，其中锂离子电池占主导地位，但近年来涉及锌离子电池出版物的增长率明显较高。 在锌离子电池中，CNT 的作用是形成高表面积、机械弹性、柔性和导电支架，以支持其他活性阴极材料。 这就提高了重复循环后的速率能力和容量保持能力。

MXene 纳米材料的出现也激发了人们对其在电池电极中的应用的兴趣。 在这种应用中，CNT 可用于控制 MXene 薄片之间的间距，防止其重新堆叠，从而改善离子传输。 CNT-MXene 的组合还可用于储能应用的超级电容器，不过这些出版物的引用主要见于期刊中，表明尚未准备好大规模商业化。

在复合材料应用中稳步增长

自 20 世纪 90 年代初被发现以来，CNT 的主要应用领域一直是复合材料，因为 CNT 在复合材料中具有机械强度、高导热性和高导电性。 从体育用品到工业涂料，它们被广泛应用于各种产品中。 现在，我们在一些出版物中看到，CNT 被用于水凝胶、环氧树脂和聚合物，包括可再生和可生物降解的聚合物聚乳酸 (PLA)。 在其中一些情况下，CNT 被用于加固脆性材料，帮助它们经受住高机械要求的应用。 （图 6）

其他值得注意的引文涉及将 CNT 与聚合物基质结合用于电磁屏蔽。 与复合材料相关的大量期刊和专利出版物证明了 CNT 复合材料创新在商业和更多实验应用中的可行性。

对传感器和生物医学应用的研究兴趣

传感器和生物医学用途（如药物递送）是 CNT 研究尚未大规模商业化但潜力巨大的两个领域。 在与 CNT 相关的期刊出版物中，传感器是第二大应用领域。 CNT 既可用于化学传感器，也可用于机械传感器，例如用于检测人体运动的应变或压力测量的传感器。 它们的强度、纵横比、导电性和化学功能化能力使其在转换和传输这些刺激时非常有用，这也是它们在这些设备中充满潜力的原因。

我们的分析显示，14% 的 CNT 期刊出版物与传感器有关，但只有 7% 的专利出版物与传感器有关。 这可能是因为在目前的开发阶段，在实验室规模上制造一些传感器需要更多的人力或昂贵的组装材料，这在商业上是不可行的。 另外，实验室构想的传感器可能只是概念验证，或者利用的目标刺激在未来发展中的商业利益相对较低。

同样，CNT 的生物医学应用占期刊出版物的 9%，但只占专利出版物的 3%。 CNT 已被用作药物递送支架的加固材料、神经导管的导电材料以及骨植入物的抗菌和结构材料。 这些应用前景广阔，但 CNT 可能会表现出毒性，具体取决于它们的纯度、尺寸和形状。 因此，在商业化之前，需要进行更多的临床试验，以充分探索其特定的生物医学用途。

在环境修复应用中的潜力

CNT 的高表面积和化学可定制性使其成为吸附性和其他类型环境污染物去除的理想选择。 还可以使用共催化剂对其进行改性和定制，以提高与某些污染物的反应能力。 例如，与不含 CNT 的钙钛矿相比，经 CNT 增强的镧-钆-氧化铁-钙钛矿对苯酚红的光催化降解效果更好。

CNT 还可用作废水处理的吸附剂。 它们已成功去除了环丙沙星，这是一种难以去除的对水生生物有害的抗生素。 自此以后，比较 CNT 和生物炭去除环境污染物性能的文章大幅增加。

与 CNT 和环境修复相关的期刊文章数量远多于专利出版物。 对此可能的解释是，CNT 的成本使其在修复活动中不具经济可行性，或者需要更多的基础研究来提高它们的效率。

CNT 需要克服的挑战

CNT 的应用领域广泛，包括储能、耐用品、电子产品、环境修复和生物医学设备等。 它们的独特性能使其成为各种产品的重要添加剂，但这些应用对精确度的要求使它们的使用变得复杂。 我们的分析表明，调整合成参数以控制尺寸和手性仍然是一个活跃的研究领域。 由于手性决定了 CNT 的电学性能，因此这项研究可能会开发出克服其中一些挑战的方法。

进一步的研究，特别是体内和临床试验，将帮助科学家更好地了解生物医学应用中的毒性风险。 产生的 CNT 越多，研究人员对其纯度的了解和控制就越多。 扩大生产规模还能解决当前的成本问题，从而促进 CNT 在环境修复解决方案和成本敏感型应用中的进一步发展。

研究工作仍面临重大障碍，但随着不断创新，CNT 可以实现其广泛的商业潜力。