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1、148第19卷第2期2009年2月*碳纳米管的功能化研究**孟令杰伏传龙路庆华上海交通大学化学化工学院,上海200240摘要碳纳米管由于其独特的结构和优异的电学、力学以及光学等性能,在物理、化学、材料乃至生物领域备受关注.文中介绍了碳纳米管功能化研究的基本策略和生物相容性碳纳米管、荧光碳纳米管以及过渡金属功能化碳纳米管的发展状况,总结了作者用直链淀粉和纤维素制备生物相容性碳纳米管、用离子交换法制备高量子效率的荧光碳纳米管和用配位化学的方法制备碳纳米管)金属)有机框架结构的研究.这些新方法对降低成本、简化制备和改性工艺、促进功能化碳纳米管的实用化和商品化具有重要的意义
2、.关键词碳纳米管功能化生物相容荧光过渡金属自1991年碳纳米管在日本电子公司(NEC)被发[1]1碳纳米管功能化改性的策略现以来,由于其优良的电磁性能、力学性能、光学[2)4]性能和热性能等,激起了人们的极大兴趣,迅速目前报道的碳纳米管功能化改性的方法有很[5)16]成为继C60之后最热门的碳纳米材料.而单壁碳纳米多,大致可分为两类:共价改性和非共价改性.管的发现和应用被Science杂志评为1997年度世界十共价改性碳纳米管又可以粗略分为两类,即直接在碳纳米管表面进行基团键接改性和通过碳纳米大科学发现之一(C60和单壁碳纳米管的结构示意图见管表面的羧基进行化学改性
3、.对于前者,主要是指图1).但碳纳米管在溶剂中分散性差、加工操作困不需要对碳纳米管氧化处理而直接在碳纳米管表面难,这极大地限制了它的应用,因而需要通过表面改接上基团以增加其在有机溶液中的溶解性,最为典性来提高它的溶解性和分散性.另外,通过化学或物[5,6]型的一种方法就是碳纳米管表面氟化.后者主要理的方法还可以将其他功能性基团或材料复合到碳管通过氧化性酸处理后使碳纳米管表面带有羧酸基的表面制备多功能性材料.因此,碳纳米管的功能化团,再进行一些化学反应在碳管表面接上其他所需改性是非常重要的一个研究领域.基团以增加碳纳米管在有机溶剂中的溶解性,最为典型的方法就是先与二氯
4、亚砜(SOCl2)反应,再与[7,8]长链分子进行酰胺反应或酯化反应.这两类共价改性的方法都会不同程度的破坏碳纳米管的结构并影响其性能.非共价化学改性是指对碳纳米管表面进行物理2处理,而碳纳米管的sp杂化状态几乎不发生变化.因此,这种结合力主要依靠分子之间的Vander图1C60(a)和碳纳米管(b)Waals力、氢键、疏水力和静电吸引等弱相互作用2008-07-12收稿,2008-07-30收修改稿*国家自然科学基金(批准号:60577049)和上海市科学技术委员会重点基础基金(批准号:O5JC14019)资助项目**通信作者,E-mail:qhlu@sjtu.e
5、du.cn第19卷第2期2009年2月149[10)16]来促进碳纳米管在溶液或复合材料中分散,过其与单壁碳纳米管的P-P堆积作用减弱造成的.程由热力学控制.非共价化学改性通常在超声作用这种对序列的严格要求一定程度上限制了其广[22]下将碳纳米管分散,使表面活性剂或聚合物等分子泛的应用,Gigliotti等成功地利用无序的长链ss-的疏水部分与疏水的管壁相互作用进行复合,而亲DNA分子(m100bases)包覆碳纳米管,ss-DNA分水部分与水或极性溶剂作用,从而阻止了碳纳米管子链以螺旋状态缠绕在碳纳米管上,并且具有良好的团聚而分散在溶剂中.物理改性的优点在于可以的
6、分散性能.SWNT/ss-DNA复合物也有明显的周将碳管稳定地分散在溶剂中,同时不损伤碳管管壁期性螺距,而且包覆不同的碳纳米管,其螺距显示一维电子结构.不同的尺寸.[23]因此,我们致力于用非共价改性的方法,并利另外,Geckeler小组采用物理研磨的方法将用离子交换、配位化学等手段发展了一些不损伤碳DNA分子包覆到单壁(多壁)碳纳米管上,得到了管的新方法来制备三类功能化碳纳米管:生物相容单一分散的碳纳米管.碳纳米管在功能化的同时被[17,18][19]性碳纳米管、荧光碳纳米管和过渡金属功能截短,其中多壁管的长度90%在500nm)3Lm之化碳纳米管.间,单壁管长度
7、80%分布在250nm)1Lm之间.2生物相容性碳纳米管212蛋白质和多肽功能化碳纳米管蛋白质和多肽等常见的生物分子也被用于碳纳具有生物相容性的碳纳米管可用作生物传感[24]米管的功能化研究.Karajanagi等通过非共价键器、支架材料、药物载体等,已成为纳米生物学领将蛋白质包覆到碳纳米管上,发现功能化的碳纳米域的研究热点.由于未改性的碳纳米管表面能高、管以单分散的状态分散在水中.引入到碳纳米管上在水中的溶解性和分散性不好,导致其与生物体系的羟基、硫醇、氨基等活性官能团可以作为反应位的相容性较差,所以增强碳纳米管生物相容性的基点对碳纳米管进行二次改性.[20)
