双壁碳纳米管（DWCNTs）可以被看作是由两层同心的单壁碳纳米管嵌套而成，其性质是单壁管（SWCNTs）和多壁管（MWCNTs）的完美结合。

• sp²杂化碳晶格: DWCNTs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。

DWCNTs的独特性质完全来自于其“管中管”的同心双层结构。

• 外管的物理/化学屏蔽效应: 这是DWCNTs最核心、最重要的特性。外层碳管可以像一个“纳米级的同轴电缆屏蔽层”一样，为内层碳管提供完美的保护。
  • 化学屏蔽: 可以对外管进行化学功能化（如氧化、接枝），而内管的完美sp²结构和本征物理性质（如荧光、电导率）几乎不受影响。这解决了SWCNTs功能化后性能急剧下降的核心难题。
  • 物理屏蔽: 外管可以屏蔽掉周围环境（如溶剂、其它分子）对内管电子性质的干扰，使得内管能够展现出其最本征的物理特性。
• 卓越的机械与热稳定性: 双层管壁的结构使其机械强度、刚度和抗屈曲能力远高于SWCNTs。同时，其热稳定性和抗氧化能力也显著优于SWCNTs。
• 保留的SWCNT特性: DWCNTs的内管仍然保留了SWCNTs的独特性质，例如，如果内管是半导体性的，整个DWCNT依然可以表现出清晰的近红外荧光。

对于DWCNTs，其性能调控的主要手段是利用其独特的双层结构，进行选择性功能化或层间插层。

核心优势: 这是DWCNTs相比于SWCNTs最大的优势。可以在不破坏内管结构和性质的前提下，对DWCNTs进行化学修饰。

• 原理: 通过精确控制反应条件（如氧化剂的强度、反应时间），化学反应会优先发生在曲率更大、反应活性更高的外管上。
• 应用:
  • 改善分散性: 通过对外管进行氧化引入羧基，可以极大地提高DWCNTs在水中的分散性，同时内管的荧光或电导率得以保留。
  • 构建功能平台: 在外管上共价连接药物、抗体、聚合物等功能分子，而将内管作为信号报告单元（如荧光探针）或导电通道。

目标: 将原子或小分子插入到DWCNTs的内外管壁之间的范德华间隙中。

• 应用: 通过插入碱金属（如K, Rb）或卤素（如Br₂, I₂）等，可以有效地对其电子能带结构进行掺杂，从而精确地调控其电导率和热电性能。

双壁碳纳米管（DWCNTs）作为一种导电性好、比表面积巨大、化学性质极其稳定的碳材料，在催化领域是一种性能卓越的催化剂载体。

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

• 高比表面积与高分散: DWCNTs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。
• 无与伦比的稳定性: DWCNTs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。其双层管壁结构使其具有比SWCNTs甚至MWCNTs都更高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): DWCNTs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。

双壁碳纳米管（DWCNTs）独特的近红外荧光和可选择性功能化的外管，使其在生物成像和传感领域成为一种性能更优、更稳定的探针。

这是半导体性DWCNTs在生物成像中最核心的应用。

• 原理: DWCNTs的半导体性内管具有手性依赖的、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光在生物组织中具有极低的散射和自发荧光，可以实现对活体动物体内深层组织的高分辨率、高信噪比荧光成像。
  • 功能化同时保持荧光: 与SWCNTs不同，可以对DWCNTs的外管进行共价功能化（如连接PEG、抗体）以提高其生物相容性和靶向性，而内管的荧光性质几乎不受影响。这解决了SWCNTs功能化后荧光严重猝灭的核心难题，使其成为一种更实用、更稳定的生物探针。

双壁碳纳米管（DWCNTs）因其高比表面积、独特的近红外光学特性和可功能化的外表面，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出巨大的应用潜力。

DWCNTs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: DWCNTs巨大的外表面，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: DWCNTs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。

DWCNTs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DWCNTs吸收光能并高效地将其转化为热量，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SWCNTs，DWCNTs具有更高的结构稳定性，在激光照射下更不容易被烧蚀破坏。

双壁碳纳米管（DWCNTs）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DWCNTs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): DWCNTs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DWCNTs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。

高质量、高纯度的双壁碳纳米管的合成，是碳纳米材料领域的一大挑战，其核心在于精确控制催化剂和生长条件，以避免SWCNTs和MWCNTs的生成。

这是制备高质量、可控DWCNTs最主流、最通用的方法。

• 原理:
  1. 催化剂准备: 首先在基底上沉积一层经过精心设计的双金属或三金属催化剂纳米颗粒（最常用的是铁-钼 (Fe-Mo) 或 钴-钼 (Co-Mo) 负载在MgO或Al₂O₃载体上）。
  2. 加热与通气: 在高温（~800-1000 °C）、还原性气氛（如H₂）下，将含碳的气体前驱物（如甲烷、乙醇）引入反应室。
  3. 催化裂解与生长: 通过精确地控制催化剂的尺寸、组分和生长温度、压力，可以创造出有利于“管中管”生长的独特动力学条件，从而实现DWCNTs的选择性生长。

这是一种独特的、可以制备出结构高度均一的DWCNTs的模板法。

• 原理:
  1. 首先，将富勒烯（如C60）分子通过气相或液相的方式，填充到预先制备好的大直径SWCNTs的内部，形成一种形似“豆荚”的结构（C60@SWCNT）。
  2. 然后，对这些“碳豆荚”进行高温真空退火。在高温下，内部的富勒烯分子会发生聚合、融合，并最终重构为一根完美的、同心的内层碳纳米管，从而形成DWCNTs。
• 优势: 这种方法可以制备出内外管手性关联、结构极其完美的DWCNTs，是基础物理研究的理想模型。

对双壁碳纳米管（DWCNTs）的精确表征是确认其独特的“管中管”结构和纯度的关键。

• 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM): 这是鉴定DWCNTs同心双壁结构的金标准技术。在HRTEM图像中，必须能够清晰地观察到由两层石墨烯构成的、间距约为0.34 nm的同心圆或椭圆形管壁。
• 拉曼光谱 (Raman): 这是表征DWCNTs最重要、最快捷的技术。
  • 径向呼吸模 (RBM): 在低频区（~100-300 cm⁻¹）会出现两组分别对应于内管和外管的RBM峰，这是DWCNTs区别于SWCNTs的最典型“指纹”证据。
  • G峰和D峰: G/D比值是评价DWCNT结晶质量和纯度的关键参数。
• 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。其吸收光谱会包含分别来自于内管和外管的一系列范霍夫奇点吸收峰。其荧光光谱则主要来自于半导体性的内管。

双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，其核心优势在于可以实现选择性的外管功能化。

这是一种温和、能够保持内管完美sp²结构和本征性质的修饰方法。

• 原理: 利用外管比内管具有更高的曲率和反应活性，通过精确控制反应条件，可以使化学反应（如氧化、加成）优先发生在外管上，而内管保持不变。
• 典型策略:
  • 温和氧化法: 使用较温和的氧化条件（如稀硝酸、过氧化氢），可以在DWCNTs的外管上引入羧基（-COOH）和羟基（-OH）等官能团，以提高其水溶性。
  • Bingel-Hirsch反应: 这种环丙烷化反应可以被精确地控制在只与外管反应。
• 核心优势: 这种选择性功能化，使得我们可以获得一种兼具优异水分散性/生物相容性（由功能化的外管提供）和优异荧光/电学性质（由被保护的内管提供）的理想纳米材料。