单壁碳纳米管（SWCNTs）可以被看作是将一张单层的石墨烯无缝地卷曲而成的圆柱体，其性质源于石墨烯的二维结构，并因其一维拓扑结构而发生质变。

• sp²杂化碳晶格: SWCNTs的管壁由sp²杂化碳原子构成的蜂窝状晶格组成，这赋予了其无与伦比的机械和电学性能。

SWCNTs的独特性质完全来自于其一维管状结构和独特的“手性”。

• 手性决定的电学性质: 这是SWCNTs最核心、最独特的特性。石墨烯片层的卷曲方式（由手性指数 (n,m) 描述）决定了SWCNT的电学性质。
  • 金属性: 如果 n = m 或 n - m = 3i (i为整数)，则SWCNT表现为金属性，是一种优异的一维导体。
  • 半导体性: 如果不满足上述条件，则SWCNT表现为半导体性，其带隙大小反比于其直径。
  通常化学合成的SWCNTs是金属性和半导体性的混合物（比例约为1:2），如何实现二者的高效分离是其电子学应用的核心挑战。
• 卓越的机械性能: SWCNTs是目前已知的最强韧的材料之一，其抗拉强度是钢的100倍，而密度只有钢的六分之一。
• 独特的光学特性: 半导体性的SWCNTs在近红外（NIR）区域具有独特的、手性依赖的吸收和荧光发射。由于其一维结构，其电子态密度呈现出尖锐的范霍夫奇点，导致其吸收和发射光谱由一系列尖峰构成。
• 极高的热导率: SWCNTs沿轴向的热导率极高，是一种优异的一维热导体。

对于SWCNTs，其性能调控的主要手段是通过掺杂来改变其电学性质，或通过化学功能化来改善其分散性和引入新功能。

目标: 对半导体性的SWCNTs进行p型或n型掺杂，以构筑电子器件。

• p型掺杂: SWCNTs在空气中会自发地吸附氧气和水分子，这些分子会从SWCNT中夺取电子，使其天然地表现出p型半导体特性。也可以通过吸附其它强氧化性分子（如F₄-TCNQ）来实现更强的p型掺杂。
• n型掺杂: 实现稳定、高效的n型掺杂是SWCNT电子学的一大挑战。通常通过吸附给电子性分子（如碱金属、胺类）或通过化学功能化引入给电子基团来实现。

目标: 克服SWCNTs极强的疏水性和范德华力导致的成束问题，并引入功能性基团。

• 共价功能化: 通过强酸氧化等方法，在SWCNT的管壁（主要是缺陷位点）和端点引入羧基（-COOH）和羟基（-OH）。这些基团可以极大地提高其在水中的分散性，并作为“化学手柄”，用于后续的共价偶联反应。
• 非共价功能化: 利用SWCNT巨大的π共轭表面，通过π-π堆积或疏水相互作用，将表面活性剂、DNA、芳香族聚合物等分子物理吸附在其表面。这是一种温和、不破坏其sp²结构的修饰方法，可以有效地将其分散在溶液中。

单壁碳纳米管（SWCNTs）作为一种导电性好、比表面积巨大、化学性质稳定的碳材料，在催化领域是一种性能卓越的催化剂载体和无金属催化剂。

将金属纳米颗粒负载于SWCNTs表面，可以构建出兼具高活性和高稳定性的复合催化剂。

• 高比表面积与高分散: SWCNTs巨大的比表面积允许催化活性组分（如Pt, Pd等贵金属纳米颗粒）以高度分散的状态负载在表面，有效防止其团聚，从而最大化活性位点的暴露，提高催化效率。
• 优异的导电性与稳定性: SWCNTs的石墨烯骨架具有优异的导电性，非常适合作为电催化剂的载体。其完美的sp²结构使其具有比活性炭等传统碳载体高得多的抗电化学腐蚀能力，从而极大地提高了催化剂在燃料电池等苛刻环境中的使用寿命。
• 载体-金属强相互作用 (SMSI): SWCNTs与负载的金属颗粒之间存在强的电子相互作用，可以改变金属的电子结构，从而进一步提高其催化活性和稳定性。

通过杂原子掺杂，可以赋予SWCNTs本身优异的催化活性。

• 电催化氧还原反应 (ORR): 氮（N）掺杂的单壁碳纳米管，是目前性能最优异的无金属ORR电催化剂之一，有望在燃料电池和金属-空气电池中替代昂贵的铂催化剂。

单壁碳纳米管（SWCNTs）独特的近红外荧光和光学特性，使其在生物成像和传感领域成为一种极具潜力的下一代探针。

这是半导体性SWCNTs在生物成像中最核心、最独特的应用。

• 原理: 半导体性的SWCNTs具有手性依赖的、位于近红外（NIR-I和NIR-II）区域的带隙荧光。
• 核心优势:
  • 深层组织穿透: NIR光（特别是NIR-II, 1000-1700 nm）在生物组织中具有极低的散射和可忽略的自发荧光，因此可以实现对活体动物体内深层组织（如脑部血管、深部肿瘤）的高分辨率、高信噪比荧光成像。
  • 超高的光稳定性: SWCNTs的荧光永不漂白，可以进行长时间的连续成像和追踪。

SWCNTs的荧光对其周围的化学环境极其敏感。

• 原理: 当生物分子（如神经递质、葡萄糖、DNA）与包裹在SWCNT表面的特定识别分子（如DNA适配体、聚合物）相互作用时，会改变SWCNT表面的局部介电环境，从而导致其近红外荧光发生波长移动或强度变化。
• 应用: 通过监测荧光信号的变化，可以构建出能够实时、原位监测活体动物（如大脑）中特定分子浓度变化的植入式纳米传感器。

单壁碳纳米管（SWCNTs）因其高比表面积、独特的近红外光学特性和穿膜能力，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出巨大的应用潜力。

SWCNTs的高比表面积和表面化学使其成为一种多功能的药物递送平台。

• 高载药量: SWCNTs巨大的比表面积，使其能够通过π-π堆积或共价键，高效负载化疗药物（特别是具有芳香环的药物，如阿霉素DOX）。
• “纳米注射器”效应: SWCNTs的针状形态使其能够像“针”一样，通过能量依赖性的内吞或非依赖性的方式穿透细胞膜，将负载的药物或基因直接递送到细胞质中，从而大大提高药物的生物利用度。

SWCNTs在近红外（NIR）光区具有宽谱的、强烈的吸收。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的SWCNTs吸收光能并高效地将其转化为热量（通过声子振动），使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: 相比于贵金属等光热剂，SWCNTs具有成本低、光热转换效率高、光稳定性极佳的优点。

单壁碳纳米管（SWCNTs）的生物安全性是一个极具争议和广泛研究的课题，其核心在于其一维的纤维状形态。

• 类石棉效应 (Asbestos-like Effect): 这是评估所有高长径比纳米材料安全性的一个核心概念。如果SWCNTs的长度足够长（> 15-20 μm）、刚性足够强且生物持久性足够高，它们可能会在被吸入肺部后，因无法被巨噬细胞完全吞噬而引发持续的、慢性的炎症反应，即“受挫的吞噬作用 (Frustrated Phagocytosis)”，并可能最终导致肺纤维化甚至间皮瘤等严重疾病。
• 生物持久性 (Non-biodegradable): SWCNTs的石墨烯骨架极其稳定，在生理条件下是不可生物降解的。这意味着长的SWCNTs一旦进入体内深处（如肺部），可能会永久存留，从而带来长期的慢性炎症风险。

• 尺寸依赖性: 短的（
• 表面化学: 通过聚乙二醇（PEG）等亲水性高分子进行表面修饰，可以极大地提高其生物相容性，减少免疫系统的识别，并促进其清除。
• 酶促降解: 研究发现，在髓过氧化物酶（MPO）等生物酶的作用下，SWCNTs可以被缓慢地氧化降解，这为其在体内的长期清除提供了一条可能的途径。

高质量、高纯度的单壁碳纳米管的合成，通常依赖于在高温下、在金属催化剂颗粒上进行的碳源裂解。

这是制备高质量、可控SWCNTs最主流、最通用的方法。

• 原理:
  1. 催化剂准备: 首先在基底（如硅片）上沉积一层金属催化剂纳米颗粒（最常用的是铁、钴、镍及其合金）。
  2. 加热与通气: 在高温（~600-1000 °C）、还原性气氛（如H₂）下，将含碳的气体前驱物（如甲烷、乙烯、乙醇）引入反应室。
  3. 催化裂解与生长: 碳源气体在催化剂颗粒表面裂解，碳原子溶解到金属颗粒中。当碳达到过饱和时，会以管状的sp²结构从金属颗粒表面析出、生长，形成SWCNTs。
• 优势: CVD法可以生长出结晶质量高、纯度较高的SWCNTs，并且可以通过调控催化剂和生长条件，在一定程度上控制其直径和手性。

• 电弧放电法: 在充满惰性气体的反应室中，通过石墨电极（通常含有金属催化剂）之间的大电流电弧来蒸发碳，冷凝后即可获得SWCNTs。
• 激光烧蚀法: 用高功率激光轰击含有金属催化剂的石墨靶材，使其蒸发，在惰性气流中冷凝后即可获得高质量的SWCNTs。

对单壁碳纳米管（SWCNTs）的精确表征是确认其独特结构和手性依赖性质的关键。

• 拉曼光谱 (Raman): 这是表征SWCNTs最重要、最快捷、信息最丰富的技术。
  • 径向呼吸模 (RBM): 在低频区（~100-300 cm⁻¹）出现的一系列尖峰，其频率与SWCNT的直径严格成反比，是SWCNT存在的“指纹”证据。
  • G峰和D峰: G峰（~1590 cm⁻¹）代表sp²碳的振动，D峰（~1350 cm⁻¹）代表缺陷。G/D比值是评价SWCNT结晶质量和纯度的关键参数。
  • 共振拉曼: 通过改变激发激光的波长，可以选择性地共振激发具有特定电子跃迁能量的SWCNTs，从而可以用来鉴定其手性。
• 吸收与荧光光谱: 紫外-可见-近红外吸收光谱和近红外荧光光谱是鉴定半导体性SWCNTs手性的关键。通过二维的荧光-激发能量图谱（PLE map），可以精确地鉴定出样品中存在的各种(n,m)手性的半导体性SWCNTs。
• 透射电子显微镜 (TEM): 用于直接观察SWCNTs的直径、长度、成束情况和纯度。

单壁碳纳米管的表面工程是其实现所有应用（特别是生物医学应用）的前提，其核心任务是克服其极强的疏水性和范德华力导致的成束问题，并引入功能性基团。

这是一种温和、不破坏SWCNT完美sp²结构的修饰方法，旨在通过物理吸附实现其在溶液中的稳定分散。

• 表面活性剂包裹: 利用表面活性剂（如SDS, SDBS）的疏水端与SWCNT表面结合，亲水端朝外，可以在SWCNT表面形成一层胶束，通过静电或空间位阻实现其在水中的稳定分散。
• 生物大分子包裹: 利用DNA、蛋白质、多糖等生物大分子，通过π-π堆积或疏水相互作用，缠绕在SWCNT表面，同样可以实现高效、生物相容的分散。特别是利用特定序列的DNA，甚至可以实现对特定手性SWCNT的选择性分散和分离。

目标: 在SWCNT的管壁或端点共价连接上稳定的化学官能团。

• 氧化法: 通过强酸（如浓硝酸/浓硫酸混合物）处理，可以在SWCNT的缺陷位点和端点引入羧基（-COOH）和羟基（-OH）。这些基团不仅可以提高其水溶性，更重要的是可以作为“化学手柄”，用于后续的EDC/NHS等偶联反应，连接药物、抗体等功能分子。