美国纳米材料原理研究的新进展
1．揭示纳米材料形成原理的新成果
⑴破解碳纳米管形成的奥秘。
2005年2月10日，美国佐治亚理工学院教授德黑尔领导，法国和巴西科学家参与的一个国际研究小组，在《科学》杂志上发表论文说，他们发现碳纳米管，实际上是在玻璃态碳表层下形成的碳晶体。
由于碳纳米管一些出众的特性，它已成为纳米技术领域最重要的材料之一，但科学界一直对其形成过程不甚了解。该这个研究小组表示，最常见的碳纳米管生产方法是碳电弧法，也就是用碳电弧将封闭在氦气舱中的石墨，加热到5000℃，在一个电极上获得碳纳米管。研究人员曾发现，这样获得的碳纳米管表层有很多微小的碳珠子。
碳珠子是由液体状态的碳形成的，这让科学家提出疑问：为什么液体状态的碳，没能把内层的碳溶解呢？德黑尔指出，原因在于表层的这些碳急速冷却，碳原子没能来得及排列整齐形成晶体，却变成了玻璃态。进一步研究，也证实这些微小的碳珠子具有玻璃态的特征，而其内层的碳纳米管具有晶体特征。
德黑尔等人在论文中说，用碳电弧法生产碳纳米管的时候，电弧把石墨加热成了液态碳，其表层的液态碳因为急剧冷却变成了玻璃态，而内部的碳因为冷却非常缓慢，而变成了超冷液态碳。当超冷液态碳冷却到某一临界温度时，便开始结晶成为碳纳米管，而碳纳米管结晶会逐渐伸长，刺破外面包裹的玻璃态碳，玻璃态碳就如同针上的水珠一样，粘附在碳纳米管纤维的表面。
研究人员说，他们在收集碳纳米管的时候，常常觉得它表面的碳珠子很麻烦，后来才认识到，这可能与碳纳米管的形成过程有关。他们认为，这一成果，将有助于更好地理解碳纳米管的特性。
⑵揭开“纳米金刚石”的秘密。
2005年9月，有关媒体报道，在新型纳米材料中，有一种是以金刚石作为表面涂层的纳米导管，它是未来世界最具发展潜力之一的新材料，将对未来科技发展产生巨大作用。近日，美国阿贡国家实验室研究员阿曼达·巴纳德领导的一个研究小组，对这种新型材料进行了深入研究，并且深入分析了它的制造过程。
巴纳德一直从事纳米材料的研究。这种以金刚石为表面涂层的新型材料，是由意大利罗马大学和罗马杜维嘉大学的研究人员，在2004年共同发明的。目前，这两所大学的研究人员正与巴纳德一起，对这种新型材料进行深入研究，为将来大规模生产做准备。
这种纳米导管，就像一块市面上常见的雪糕，表面包裹着20～100纳米厚的金刚石材料。它已引起社会各界的广泛关注。
这种材料的诱人之处，在于其表面覆盖的一层金刚石粉。它将给普通纳米导管，带来许多令人惊讶的物理性质。一般的金属分子，可以附着在这层金刚石涂料上面。这层金刚石，还具有极好的光散发性能。金刚石是一种绝缘材料，但是它的表面又呈现出很强的负电性。纳米金刚石导管的表面，由高纯度的金刚石组成，这就使得纳米金刚石导管及其上级电子元件之间产生导电性，它们之间可以有电流通过。加上纳米金刚石导管具有的良好光散发能力，以及它极低的电压要求，使得这种新型材料可以用来制作高科技平面节能电视。
巴纳德说道：“这种新型材料具有良好的导电性和更有效的光散发能力，这些性质使它可生产更精密、更节能的设备。”目前，世界上许多研究人员，都在寻求制造电子显示设备的更好材料，而这种新型材料具有很大的发展潜力，或许就是科学家们要找的材料。
意大利研究人员在研究过程中发现，在某种特定情况下，纳米导管会由于氢原子的作用而改变其表面上的碳原子化学结构，使之转变为一层金刚石。但是他们并不知道纳米导管的表面，在特定情况下转变为金刚石涂层的机理。他们为了找出其中的机理，找到了巴纳德，期望纳米材料研究领域的专家巴纳德，能够带领他们更好地研究这种新型材料。
巴纳德在2003年10月，发表了第一篇关于纳米金刚石导管的研究论文。她的理论，得到意大利研究人员的认可，她于2004年3月受邀请与意大利研究人员共同进行研究。
巴纳德说：“这些研究人员可以制造出这种新型材料，但他们并不清楚这种材料的具体制造过程，以及制造原理。”
巴纳德经过仔细地实验以及计算后做出结论：通常情况下，氢原子在腐蚀碳纳米导管的过程中，会使导管表面的碳原子相互分散。但是，在某一特定的氢浓度条件时，这种腐蚀则会使得碳纳米导管表面产生金刚石结构。碳纳米导管表面的缺陷，可使得金刚石分子之间相互紧密结合，并帮助导管不断延长。
2．分析纳米材料的演化机制
⑴用计算机模型预测纳米管破裂机制。
2006年3月，由机械工程学、材料学以及化学教授鲍里斯·雅科布森领导，由来自莱斯大学和明尼苏达大学材料科学研究人员组成的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》网络版上发表论文称，他们使用计算机建模的方法，构建了一幅“强度图”，来模拟纳米管破裂的可能性和概率，了解到纳米管如何才可能破裂是基于四个基本的变量。
从理论上说，碳纳米管的的强度要比钢硬100倍。但在实际应用中，科学家们正努力使纳米管达到这一标准。部分原因是因为，目前人们对纳米管到底是如何破裂，以及在什么情况下才会破裂等一系列问题，还不是很清楚。
由于纳米管，属于单分子结构，约为人类头发丝的八万分之一大小。要使纳米管破裂涉及到一系列问题，如对分子间联结、原子动力学，以及复杂量子现象等问题的研究。实际的情况是，纳米管的种类有数百种之多，通常各种纳米管之间的复杂性不同，而且其特性也有很大差异。
雅科布森说：“纳米管破裂有两种形式：要么特别脆，可以一折就断；要么比较有韧性，受力后纳米管变形。这取决于纳米管分子的联结情况。我们发现，引起两种破裂形式的潜在机制，几乎在同时都展现了出来。甚至在个别测试中，任何一种破裂都可能发生，但通过概率统计，我们还是绘制出了其中的一种形式，这是对所有的纳米种类，在大部分情况下，都可能发生的破裂情形的统计。”
碳纳米管属于单个纯碳分子结构。它们是一种长而狭窄的中空圆柱结构，厚度仅有一个原子大小。科学家估计，这种单层碳纳米管与钢材比起来，不仅强度硬100倍，而且重量也只有钢材的六分之一。而目前广泛用于防弹衣的凯夫拉尔纤维，与同等重量的钢相比，强度只比钢材硬5倍。
纳米管的精确直径，可以从半纳米以下到3纳米以上。纳米管也可能由于卷曲的角度而有所不同。科学家称这种角位为手性角，一个很好的例子就是礼品包装纸的卷曲。如果将纸十分小心的卷成管状，使两个纸边正好重合，那就不存在突出部分了。然而，如果卷得多了，那么总有一边超出另一边，这一超出的角度就称为手性角。纳米管的手性角可以从0度（两边正好重合）到30度之间变化，于是使得不同手性和直径的纳米管，其本身的物理属性也有很大不同。例如有些是金属性，另一些则不是。
雅科布森研究小组，为了改进对纳米管破裂形式的计算机模型，考虑了四种临界值：负荷水平、负荷持续时间、温度以及手性。原莱斯大学的博士后研究员，现为明尼苏达大学机械工程学助理教授的特雷恩·多米特里加，他同时也是论文的合著者，他说：“个别纳米管的破裂机制，很大程度上取决于其固有的卷曲属性，也就是其手性。然而，温度条件仍然对结果产生影响。我们在计算机模拟的‘强度图’中概括了手性依赖的参数，这一方法，为材料科学研究，提供了一个很好的预测性模拟。”
⑵用动能学解释纳米晶体的“自净化”机制。
2006年6月9日，美国德州大学的古斯塔沃·达尔平和杰姆斯·车里柯斯基，在《物理评论快报》杂志上发表文章，声称他们用动能学原理，揭示了纳米晶体的“自净化”机制。
半导体纳米晶体的掺杂，将很可能成为纳米技术广泛应用基础。但是微小的纳米晶体，趋向于抵制杂质，所以，研究人员必须找到办法，克服纳米晶体的这种“自净化”机制，然后对它们掺杂。
达尔平说：“人们通常认为，纳米晶体因其有限的大小，而具有较少的缺陷。纳米晶体具有很小的体积，且近乎都是表面，缺陷很容易被清除。杂质几次跳跃后，就会跑到纳米晶体的外面。”
2005年，欧文等提出，用晶体的拓扑学和杂质绑定在表面的难度，来解释纳米晶体的掺杂困难。他们发现纳米晶体越小，绑定能量越少，掺杂就越困难。
达尔平和车里柯斯基认为，研究半导体纳米晶体的掺杂，需要了解其动力学、热力学和动能学的特性。他们用纳米晶体中形成杂质所需要的能量，来解释纳米晶体的自我净化趋势，希望从而能够找到增强这种材料性能的新方法。
达尔平说：“欧文证明了，在富含阴离子的溶液环境中，可以更多的向纳米晶体中掺杂。他们认为，晶体存在形变使杂质的绑定能量增强。我们认为，纳米晶体的掺杂难度，也可以从动能学的角度解释：在富含阴离子的溶液环境中，缺陷的形成能减少了。”他继续说：“在理论上，动能学的观点要好些，因为它更简单。在我们的模型中，假设体系处于热力学平衡中，我们只需要知道缺陷的形成能。”
当一个杂质进入，纳米晶体的能量带隙中，会出现一条能级。能级和结构特性，一同影响杂质的形成能。达尔平和车里柯斯基发现，缺陷的结构特性，不受纳米晶体尺寸影响，而带隙中的能级却随着晶体的减小而降低。
较小的纳米晶体，含有更低的杂质能级，掺杂时需要更多的能量，从而使缺陷的数量更少。这种解释，支持了认为自净化是纳米晶体的一种内在属性，但是也是可以克服的观点。
达尔平同样建议，样本应该在富含阴离子的溶液中生长。因为在富含阴离子的环境中，阳离子不足，杂质更容易占据阳离子的位置。
