单层碳纳米管的发现
当前最大的课题是研究怎样进行的，饭岛与IBM公司的贝休恩（Bethune）研究组，两者几乎同时发现了单层碳纳米管的合成。饭岛等在通常的电弧放电法容器内，充入总压力100 torr的甲烷与氩气，阴极碳电极的一部分换成铁，铁与碳同时蒸发则得合成产品。贝休恩等对比则在电弧放电法碳阳极充填钴的粉末，使之在氦气中蒸发后，于容器内生成的橡胶状的块中发现存在直径1~2纳米的单层碳纳米管。再者日本三重大学的齐藤用镍依同样方法，合成单层碳纳米管亦获得成功。
应该注意的是：用这些方法制得的单层碳纳米管不是存在于阴极堆积物中，而是在含有多量铁碳化物（Fe3C）飞散的碳烟之中。由此可知，单层碳纳米管是在Fe，Co等金属催化作用下，于气相中生成的。与阴极堆积物中生成的多层碳纳米管的生成机理，可认为是很不相同的。另一应注意约是；由于所用金属种类的不同单层碳纳米管的直径也各异，由此得到启发，存在控制碳纳米管形状的可能性。
由此使得我们从直径1纳米的单层碳纳米管开始，到几十纳米的多层纳米管得到了制取方法。这类碳纳米管的成长机理，物性以及应用的可能性等，下面分别作出介绍。
生成机理的研究进展
将生成机理解释清楚，则可使控制成长成为可能、对于确定的宏观批量生产技术来说并不缺少。这里所介绍的碳纳米管，都是应用富勒烯合成用的碳电极电弧放电装置制取的。制取时除其中含有富勒烯与碳纳米管之外，还发现有各种形态的碳化物，在相同的反应器中，为什么可以制得不同类型的富勒烯以及纳米管等。看来对碳纳米管生成机理的解释与富勒烯生成机理的解释是相互联系的. 这些知识经验的积累，将有可能实现自由制取富勒烯与纳米管的设想。
（a）单层纳米管的生长模型
其后发现的单层碳纳米管的生成机理较多层碳纳米管的更明确一些，金属粒子作为生成作用的催化剂是没有区别的。以这些金属（Fe，Ni）为催化剂，远藤等人用与气相热分解法相同的制造气相生长碳纤维（VGCF）方法，发现VGCF的合成在纤维顶端有金属粒子存在（见图1（a））。 而对单层纳米管的顶端却没有发现存在金属粒子。对单层纳米管的生长如图1（b）所示，碳于金属粒子的表面析出，至表面活性点处扩散，是在纳米管的根底部成长的模型。也有人建议是溶入金属的碳，由于急速冷却的过程而生成的机理。
图1.以金属粒子为催化剂的碳纳米管生长模型
（a） 顶端生长模型 （b）底端生长模型
（b）多层纳米管的生长模型
多层纳米管是在无催化剂存在下，于阴极堆积物中生成的，生成的机理与前述单层纳米管不同，多层纳米管的生成是首先生成作为芯核的单层纳米管，外层则以层为模式，依次在同心圆上排布，可认为是以套管结构形式生长起来的。作为芯核的单层管是无催化生长。远藤等人提出的建议是末端保持封闭模式生长，而饭岛则认为生长端是以螺旋状保持开口生长的模型，而且外层也保持着这种螺旋性进行生长，Zhang等人的研究报告则认为，多层纳米管内是带有螺旋性的，与不带有螺旋性的混合存在着，在生长过程中螺旋性无重要作用。另外最近发现有卷饼（Roll cake）状卷成的多层纳米管，由此提出了其生成机理的建议。
（c）整体（bulk）生长模型
从整体来看，阴极堆积物中的多层纳米管其特征是，直径相同程度的多层纳米管以一捆一束的形态存在，这与生成机理存在什么关系，人们进行了推测。虽然曾有人指出阴极堆积物中存在的，多层纳米管的生成与电场有关，最后的确认还是由斯毛莱（Smalley）等人的研究组，以艾德生的实验为基础，使电弧放电的电极周围充分冷却以放电稳定，电流的流向平行于纳米管，则生成一捆一束状的纳米管，由此确认了纳米管的生成与电场的关系。进而提出了如图2所示的生成机理。此机理对阴极堆积物整体的生长与电场的影响，做出很好的说明。
图2.碳纳米管在阴极生成的模型
以上所述是碳纳米管发现以来，所提出的一些有兴趣的生长模型与机理，所提出的机理尚未获得确认，仅仅是几位研究者的模型而已。但是这方面的研究确有了进展. 我们期待着能随意控制碳纳米管生成这一关键时刻的到来。
由于阴极表面与电场平行而生成的碳纳米管（区域1），放出顶端逸出的电子，吸收阳极放出生成的C+离子、碳纳米管顶端部分碳离子密度増大则生长. C+离子向纳米管顶端流动则产生氦气流。区域2是由于中性碳原子C的増加而成长的，故其纳米管的生长与电场方向无关。
实际应用的展望
使纳米管内充填各种金属的试验已有进行，将此纳米管作为极细小导线加以利用，则称为量子细线。纳米管内充填金属铅的实验报告是由饭岛最初提出的。其后对充入各种金属的可能得以确认. 充填金属有两种方法，都是对多层纳米管的充填。其一是与合成纳米胶囊相同的电弧放电法，于阳极掺填有金属则金属与碳同时蒸发，这就是在阴极生成内包金属纳米管的方法。用此法可直接充入Cr，Fe，Co，Ni，pb，Gd，Dy，Yb等金属，纳米管内金属的结构因金属的不同而异，充填Cr则生成碳化铬的（晶体）外延生长，充填Dy则成为螺旋状态的充填物。
另一种方法是，对已合成的纳米管从末端开孔（通常生成的纳米管其末端是封闭的），加热至融点以上，则金属熔融，或注入溶解有金属盐的水溶液之中的方法。此法对于电弧放电法不能充填的Nacl与CdSe等盐类，可进行充填，这是此法的优越之处。
然而到底是将哪一种金属充入纳米管，方可使之连结制成理想的量子细线呢？这些内包金属纳米管由于提纯与物性检测尚不完善，因而尚无全面的物性测定实例。对于连续几微米长（10-6米），完全充填金属纳米管的提纯及物性检测技术，还有一段改进与提高的过程，需要等待。当前暂且应用透射电子显微镜的ESR高灵敏度分光法，进行部分物性的测定。
再者，纳米管中充填金属，通常不能用毛细管作用来说明，有待于纳米R度新科学的进展。作为纳米管新的应用，由阿雅扬（Ajayan）等对多层纳米管试用于催化载体，报道说得出从前催化载体，所缺少的反应选择性，可望开发出碳类新型催化载体的可能性。
碳纳米管领域的研究进展非常迅速，本文开篇已述，此种纳米管的研究在日本已形成研究热潮，饭岛澄男作为研究的先导，可以认为日本研究者是站在此研究领域前沿的。
［化学，（日）1995年第6期］