カーボンナノチューブは、バッキーチューブとも呼ばれ、炭素原子で構成されたナノスケールの中空管である。 円筒状の炭素分子は、アスペクト比（長さと直径の比）が103以上と高く、直径は約1ナノメートルから数十ナノメートル、長さは数ミリメートルにもなる。 このユニークな一次元構造とそれに伴う特性により、カーボンナノチューブは特別な性質を持ち、ナノテクノロジー関連のアプリケーションに無限の可能性をもたらしている。 カーボンナノチューブはフラーレンの一種である。 1985年に最初のフラーレン分子が発見されましたが、1991年に飯島澄男氏が針状のカーボンチューブの発見を『Nature』誌に発表して以来、カーボンナノチューブが一般に知られるようになりました。
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それ以来、様々な構造のカーボンナノチューブが発見されています。
その後、様々な構造のカーボンナノチューブが発見されています。グラフィックシェルの数によって、単層カーボンナノチューブ（SWNT）と多層カーボンナノチューブ（MWNT）に主に分類されます。 飯島が報告したカーボンナノチューブは、アーク放電法で合成されたMWNTだった。
SWNTは、1枚のグラフェンを直径約1ナノメートルの円筒状に巻いてできた長い管で、その両端はフラーレンのケージで覆われています。 このフラーレン構造は、1つの五角形の隣に5つの六角形が交互に並んだ構造で、体積を囲むように所望の曲率の表面を形成している。 カーボンナノチューブの側壁は、六角形のセルが隣り合ったグラフェンシートでできている。 また、五角形や七角形などの他の多角形構造も側壁の欠陥となる。 円筒形の側壁は、異なる圧延方向から製造することで、異なる構造と特性を持つSWNTを作ることができる。 円筒形の対称性のため、継ぎ目のない円筒を作るのに有効な方法は限られており、それらは整数の添字(n, m)を持つカイラルベクトルで特徴づけられる。 キラルベクトルを設定するには、グラフェンシート内の2つの原子を選び、一方をもう一方の原子に向けたベクトルの原点とする。 次に、グラフェンシートを2つの原子が一致するように転がす。 この状態では、カイラルベクトルはナノチューブの長さ方向に垂直な面を形成し、カイラルベクトルの長さは円周と等しくなる。 SWNTには、”ジグザグ”(m=0)、”アームチェア”(n=m)、”キラル “と名付けられた3種類の異なる特徴がある。
MWNTは、同心円状に並んだ直径の異なるSWNTの集合体である。
MWNTは、直径の異なるSWNTが同心円状に並んだ集合体で、隣接するシェル間の距離は約0.34ナノメートル。
MWNTは、その寸法だけでなく、対応する特性においてもSWNTとは異なります。 カーボンナノチューブを大量かつ高収率・高純度で、しかもリーズナブルな価格で製造するために、さまざまな技術が開発されている。
アーク放電は当初、フラーレンの合成に使われていました。 典型的な実験装置では、低圧（50～700mbar）の不活性ガス（ヘリウム、アルゴン）で満たされたチャンバーで反応が行われます。 電極として2本の炭素棒を数ミリの間隔で端から端まで置き、50～100Aの直流電流（20Vの電位差で駆動）で高い放電温度を発生させて負極を昇華させ、カーボンナノチューブが見られるススを残す。 この方法は、カーボンナノチューブを合成する最も一般的な方法であり、おそらく最も簡単な方法である。 カーボンナノチューブの品質は、プラズマアークの均一性、触媒、充填ガスの選択などに依存する。
レーザーアブレーションは、1995年に初めてカーボンナノチューブの製造に採用されました。 パルスレーザーまたは連続レーザーを用いて、500torrの圧力で不活性ガスを充填した1,200℃のオーブンの中で、グラファイト（またはグラファイト金属混合物）ターゲットを蒸発させる。 炭素蒸気は膨張中に急速に冷却され、炭素原子はすぐに凝縮して、触媒粒子の助けを借りて管状構造を形成する。 純粋なグラファイトを気化させるとMWNTが合成でき、グラファイトと遷移金属（コバルト、ニッケルなど）の混合物からはSWNTが成長する。 この方法は主に、反応温度を調整することにより、高い選択性で、直径を制御可能な方法でSWNTを合成するために用いられる。 結果として得られる製品は、通常、バンドルの形をしています。
化学気相成長法（CVD）は、カーボンナノチューブを工業的に生産する最も有望な方法です。
化学気相成長法（CVD）は、産業規模でカーボンナノチューブを製造する最も有望な方法です。このプロセスでは、高エネルギー（600～900℃）を利用して、メタン、一酸化炭素、アセチレンなどのガス状の炭素源を霧状にします。 反応した炭素原子は、触媒を塗布した基板に向かって拡散し、凝縮してカーボンナノチューブを形成する。 基板の準備、触媒の選択など、適切な反応条件を維持すれば、整列したカーボンナノチューブを精密に制御された形態で合成することができる。 カーボンナノチューブは、ほとんどの化学物質に対して不活性であるため、化学反応性を高めたり、新たな特性を付加するためには、表面に官能基をグラフト化する必要があります。 SWNTの場合、電気伝導度はキラルベクトルに依存し、量子力学的に決定されるように長さには依存しない。 添字(n,m)のカイラルベクトルを考えると、カーボンナノチューブは、n=mまたは(n-m)=3i(iは整数)のとき金属的であり、それ以外の場合は半導体的である。
熱的性質に関しては、カーボンナノチューブはダイヤモンドを凌ぐ最高の熱伝導体であることが知られている。 カーボンナノチューブのアプリケーションは、そのユニークな特性を利用して、ナノスケールの問題を解決することを目的としています。 カーボンナノチューブは、その高い表面積と、表面改質後にあらゆる化学物質を運ぶことができるユニークな能力により、高い触媒反応性を持つナノスケールの触媒担体や化学センサーとして利用できる可能性を秘めている。
この特性は、電界放出型のフラットパネルディスプレイや、顕微鏡に使われる冷陰極電子銃などに応用されています。
この特性は、電界放出型フラットパネルディスプレイや顕微鏡の冷陰極電子銃などに応用されています。 また、カーボンナノチューブを添加剤として使用した工学材料は、導電性と機械的強度が向上したプラスチック複合材料を作ることができます。 バイオメディカル分野では、カーボンナノチューブは、ターゲットを絞った薬物送達や神経細胞再生のための媒体として期待されている。
一部の研究者は、カーボンナノチューブの健康リスクを懸念しており、実験室での研究によると、カーボンナノチューブはアスベストに似た危険性を持っているようです。 特に、カーボンナノチューブへの曝露は、肺の内壁にできる癌である中皮腫と関連しています。 ナノチューブを吸い込むと、アスベスト繊維と同じように肺組織に傷をつけると考えられており、自転車のフレームや自動車のボディ、テニスラケットなど、すでに多くの一般製品にナノチューブが使用されていることから、懸念されている。 また、製造関係者だけでなく、一般の人々にも健康被害の可能性がありますが、ナノチューブを含む製品が粉砕されたり、廃棄物として焼却されたりした場合に、人の健康被害のリスクが生じるかどうかについては、ほとんど研究されていません。