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탄소원자들이 육각형의 벌집모양으로 서로 연결된 고분자 탄소동소체로, 현재까지 발견된 물질중 가장 강력한 강도를 가지고 있는 물질이며 그 강도는 철의 100배 이상. 그리고 기술이 발전함에 따라 이 강도는 더 강해질 수 있다. 이러한 강도를 가지고 있는 물질이고 또한 그 발전가능성도 높기 때문에, 우주 엘리베이터 케이블의 유력한 후보로 다뤄지고 있다. 전도성 또한 좋은 편이기 때문에 이를 응용한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
[[파일:Kohlenstoffnanoroehre_Animation.gif|thumb|3D 소프트웨어로 구현된, 회전하는 탄소 나노튜브의 애니메이션.]]
'''탄소 나노튜브'''(Carbon nanotube, CNT)는 [[원기둥]] 모양의 [[나노구조]]를 지니는 [[탄소]]의 [[동소체]]이다. 길이와 지름의 비가 132,000,000:1에 이르는 나노튜브도 만들어졌는데,<ref name="Longest">
{{저널 인용
|last1=Wang |first1=X.
|year=2009
|title=Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates
|journal=[[Nano Letters]]
|volume=9 |issue=9 |pages=3137–3141
|doi=10.1021/nl901260b
|pmid=19650638
|last2=Li
|first2=Qunqing
|last3=Xie
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|last4=Jin
|first4=Zhong
|last5=Wang
|first5=Jinyong
|last6=Li
|first6=Yan
|last7=Jiang
|first7=Kaili
|last8=Fan
|first8=Shoushan
|bibcode = 2009NanoL...9.3137W }}</ref> 이는 지금까지 알려진 물질 중 가장 높은 값이다. 탄소 나노튜브는 여러 특이한 성질을 가지고 있어서 나노기술, 전기공학, 광학 및 재료공학 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰일 수 있다. 특히 [[열전도율]] 및 기계적, 전기적 특성이 매우 특이하여 다양한 구조 물질의 첨가제로도 응용되고 있다. 예를 들면 (주로 [[탄소섬유]]로 만들어지는) 야구방망이나 골프채, 자동차 부품, [[다마스쿠스 강]]에 탄소 나노튜브를 소량 첨가하기도 한다.<ref>http://news.nationalgeographic.com/news/2006/11/061116-nanotech-swords.html</ref><ref>
{{저널 인용
|last1=Gullapalli |first1=S.
|last2=Wong |first2=M.S.
|year=2011
|title=Nanotechnology: A Guide to Nano-Objects
|url=http://www.aiche.org/uploadedFiles/Publications/CEPMagazine/051128_public.pdf
|journal=Chemical Engineering Progress
|volume=107 |issue=5 |pages=28–32
}}</ref>
그러나 한국과학기술연구원(KIST) 계면제어연구센터 이재갑 박사와 국제 연구팀에 의해 탄소나노튜브의 구조가 기존에 원통형 구조라고 알려졌던 것과 달리 나선구조를 이루고 있다는 연구 결과가 나왔다. 이 연구에 따르면 탄소 나노 튜브는 그래핀이 나선형으로 성장한 물질로 밝혀졌으며, 이때 발생하는 구조적 결함 때문에 예상치보다 훨씬 낮은 강도를 가진다. 또한 탄소 나노 튜브는 반도체가 아닌 도체이며 전도성 역시 금속에 비해 우수하지 않다고 한다.
나노튜브는 [[풀러렌]] 계열의 구조를 지니며, [[그래핀]]이라는 탄소 원자 한 층으로 이루어진 막을 벽으로 하며 길고 속이 빈 튜브 모양으로 만들어졌기 때문에 탄소 나노튜브라는 이름이 붙었다. 그래핀을 둥그렇게 마는 각도에 따라 다른 나노튜브가 만들어질 수 있는데, 이렇게 말리는 각도와 지름에 의해 금속이 될 수도 있고 반도체가 될 수도 있다. 나노튜브는 단일벽 나노튜브와 다중벽 나노튜브로 나눌 수 있다. 나노튜브는 [[판데르발스 힘]]에 의해 여러 가닥이 뭉쳐진 “로프” 형태로 정렬되는 경우가 많다.
탄소 나노튜브에도 그 종류가 여러가지 있는데 탄소 벽의 개수에 따라서 Single-walled, Double-walled, Multi-walled로 나누며, 탄소 층의 배열 방법등에 따라 Torus, Nanobud, Cup stacked, Extreme등으로 나뉜다. 종류에 따라 강도나 기타 특성들이 차이가 난다.[2]
나노튜브의 [[화학 결합]]은 흑연과 같은 [[혼성 궤도|''sp''<sup>2</sup> 결합]]만으로 구성된다. ''sp''<sup>2</sup> 결합은 [[알케인]]이나 [[다이아몬드]]에서 볼 수 있는 ''sp''<sup>3</sup> 결합보다 강하며, 나노튜브의 강도가 매우 높은 것도 이 때문이다.
[[1991년]] 일본 [[NEC]] 연구소의 이이지마 스미오 박사가 전자 현미경을 통해 처음 확인하였다.
현재로서는 탄소 나노튜브를 만들기 위해서 아스팔트를 가져다가 이리저리 가공하고 있다. 과정이 좀 복잡하고 아스팔트 값이 점점 오르고 있어서[3] 몇십년이 지나면 저렴하고 튼튼한 물질에서 저렴하다는 부분은 빼야 할지도. 하지만 구조가 그래핀 친척 정도이기 때문에 그래핀 테이프 추출법이 발전하면 간편하게 생산할 길이 열릴 것이라는 예측이 있다. 실험실 스케일에서는 CO에 고압을 걸어주는 방법, CVD, 아크 방전 등이 주로 이용된다.
탄소나노튜브는 1985년에 Kroto와 Smalley가 [[탄소]]의 [[동소체]]인 [[풀러렌]](탄소 원자 60개가 모인 것：C<sub>60</sub>)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이이지마 박사가 전기방전시 [[흑연]] [[음극상]]에 형성된 [[탄소]] 덩어리를 투과 전자 현미경으로 분석하는 과정에서 발견하여 [[네이처]] 지에 처음으로 발표하였다.<ref>S. Iijima, Nature (1991) 354, 56</ref> 탄소 나노튜브에서 탄소원자 하나는 주위의 다른 [[탄소]] 원자 3개와 sp2 결합을 하여 [[육각형]] 벌집무늬를 형성하며, 이 튜브의 직경이 대략 수 [[나노미터]](nanometer, nm) 정도로 극히 작기 때문에 나노튜브라고 부르게 되었다. 이 탄소나노튜브는 [[전기]] [[세기]]가 클수록 더 [[수축]]하는 [[성질]]을 가지고 있다.
Multi-walled CNT(MWCNT)는 엄청 저렴하다. 새우젓 통에 가득 담아서 팔 정도로. 반면에 Single-walled CNT(SWCNT)는 합성 자체가 까다로운 편이라 MWCNT에 비해 수십배 이상 비싼 편이다. 그래서 상대적으로 초강력 섬유나 복합소재와 같이 양이 많이 필요한 곳에서는 MWCNT[4], 전자 소자와 같이 적은 양으로도 힘을 발휘할 수 있는[5] 분야에서는 SWCNT가 더 쓰인다.
그래핀이나 나노 금속 재료(나노 와이어, 나노 큐브 등)가 발견되기 전까지는 그야말로 전자 소자 끝판왕의 분위기를 풍겼으나 탄소의 배열 방법에 따라 전도성이 천차만별로 바뀌고, 그에 따른 접촉 저항등이 너무 크다는 것[6][7]이 밝혀지면서 이전과 같은 주목은 끌지 못하고 있다. 그리고 결정적으로 CNT는 지들끼리 뭉치는 번들링이라는 현상을 가지고 있어 계산값과는 저 멀리 떨어진 안습한 전기적-기계적 성질을 가지고 있는 경우가 대부분이다. 하지만 그럼에도 불구하고 유연하고[8] 빛을 내기도 하는 점 등에서 향후 전망이 주목되는 신소재다.
그래핀이 전자 소자 쪽으로 유망한 소재라면 탄소 나노튜브 쪽은 구조재 같은 쪽으로 유망할 듯? 일단 강도 자체가 앞서 말한 대로 철의 100배 이상이고, 그래핀에 비교해서도 대략 2배 정도 더 강한 편이므로 그 강도를 생각해보면 그래핀보다 더 강한 강도가 필요한 분야에서 활용될 가능성이 있을 것이다. 일단 그래핀부터가 인류가 만들어 낸 물건 중 기계적으로 가장 강한 축에 속하는 물건인데, 이것보다 강도가 더 강한 물질이 필요하다면 역시 탄소 나노튜브가 제격이기 때문.
상기한 대로 전자 소자 쪽으로는 아무래도 그래핀에 비해 단점이 꽤 있기도 하고 그 외에도 이런저런 한계가 꽤 있는 탓에, 무한한 가능성을 지녔다고 평가받는 그래핀보다는 조금 범용성이 떨어지는 듯 하지만 그렇긴 해도 이쪽 역시 활용될 수 있는 분야가 꽤 넓을 것이라 생각된다.[9]
구조재 이외에도 빛을 내는 성질과 반도체 성질을 나타나게 하는 방법이 발견, 스스로 열을 빨리 내보내는 특성 등을 이용하여 모니터 등을 만드는데 쓰이기도 한다. 이를 이용하면 투명하고, 전기 소모량이 적고, 과열의 위험이 적은 디스플레이를 만들 수 있다.
이외에는 SPM(주사 탑침 현미경)에서 정전기 유도를 통한 나노 집게의 성분으로 쓰이기도 한다. 이를 이용하면 기존의 SPM처럼 원자나 분자를 조종할 수 있을 뿐만 아니라 전기적 특성도 어느정도 측정할 수 있게 된다.
최근, [[한국과학기술연구원]](KIST)의 이재갑 박사가 탄소나노튜브는 원통형이 아닌 나선형임을 보였다. 즉, 단일벽탄소나노튜브(SWCNT)는 [[리본]]상 [[그래핀]]이 [[나선]]형으로 성장한 것이며,<ref>J.-K. Lee et al., Small (2014) 10, 3283-3290</ref> 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)는 [[리본]]상 [[흑연]]이 [[나선]]형으로 성장하여<ref>J.-K. Lee et al., APL (2013) 102, 161911</ref> 외견상 튜브처럼 보이는 것임을 고해상도투과전자현미경(HRTEM), 원자현미경(AFM) 관찰, X-ray분석 및 형성에너지 계산을 통해 밝혔다.
== 특성 ==
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