碳納米結(jié)構(gòu)或納米碳（CNS）包括零維富勒烯、一維碳納米管和二維石墨烯等在內(nèi)的低維納米材料，由于具有獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，在過(guò)去的20多年間，開(kāi)始作為一種新型的納米材料出現(xiàn)。圍繞碳納米材料的基礎(chǔ)理論研究以及碳納米材料在分子電子學(xué)、材料科學(xué)、能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化、生物醫(yī)藥、傳感器和生物探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究受到廣大科技工作者廣泛關(guān)注，引起了世界范圍的研發(fā)熱潮。碳納米材料的電子特性以及它們的光學(xué)、光譜學(xué)和電化學(xué)等行為，主要取決于它們獨(dú)特的納米尺寸特征；認(rèn)識(shí)和研究在體相材料中因獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)而具有的特殊性質(zhì)，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性和極具智慧的工程。目前，無(wú)論是在基礎(chǔ)研究還是借助有效的技術(shù)手段探索碳納米材料各種性質(zhì)等應(yīng)用研究時(shí)，通常，首先需要得到碳納米材料的溶液或懸浮液，并使碳納米結(jié)構(gòu)在更大程度上保持其原始的特性。例如，在水溶液中，單壁碳納米管（SWCNT）呈膠束狀懸浮其中，有關(guān)其帶隙熒光光譜的應(yīng)用研究，揭示了具有半導(dǎo)體特性的單根SWCNT所表現(xiàn)出的電子能量，與碳納米管的直徑與螺旋度等結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。本書(shū)中，在第1章“富勒烯、碳納米管和石墨烯的溶解”中，Alain Penicaud闡述了多種關(guān)于碳納米材料溶解性的獨(dú)創(chuàng)性的研究方法，尤其是如何通過(guò)還原溶解的方法解決石墨及其他碳納米材料的可溶性問(wèn)題。本書(shū)的大部分章節(jié)都是介紹碳納米材料與納米技術(shù)的融合，以及碳納米材料與納米技術(shù)融合對(duì)其他諸多技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的影響。例如，在包括染料敏化太陽(yáng)能電池在內(nèi)的太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，富勒烯、碳納米管、納米金剛石和石墨烯等，有著各種各樣的應(yīng)用。在第2章“富勒烯、碳納米管和碗烯的納米合成技術(shù)”中，James Mack等敘述了近期富勒烯分子片段的發(fā)展，尤其是對(duì)碗烯進(jìn)行了重點(diǎn)描述，并介紹了它們?cè)谟袡C(jī)光致發(fā)光二極管中（OLED）的直接應(yīng)用。在第3章“碳納米材料在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用”中，針對(duì)碳納米材料在新型染料敏化太陽(yáng)能電池的應(yīng)用，Ladislav Kavan深入探討了碳納米材料的應(yīng)用對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的提高、穩(wěn)定性以及成本等方面的影響。
　　功能化的碳納米材料在與其他種類(lèi)的材料復(fù)合時(shí)，能夠保留其獨(dú)特的性質(zhì)，表現(xiàn)出非常明顯的優(yōu)勢(shì)。超分子化學(xué)對(duì)功能化碳納米體系的構(gòu)建提供了行之有效的途徑，可以通過(guò)非共價(jià)鍵的相互作用實(shí)現(xiàn)。在第4章“碳納米管超分子化學(xué)”中，Gildas Gavrel等評(píng)價(jià)了多種多樣的超分子、碳納米管的非共價(jià)鍵功能化及其應(yīng)用情況，同時(shí)在第5章“富勒烯封端雙穩(wěn)態(tài)輪烷”中Aurelio Mateo-Alonso提出了合成具備物理連接的分子結(jié)構(gòu)的方法。概述了當(dāng)前不同類(lèi)型的富勒烯封端雙穩(wěn)態(tài)輪烷以及它們之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制和潛在應(yīng)用。
　　在第6章“催化材料在可控碳納米材料界面的交互運(yùn)用”中，Michele Mel-chionna等闡述了碳納米材料對(duì)分子和納米結(jié)構(gòu)的催化劑發(fā)揮的支撐作用，由于碳納米材料具有優(yōu)異的電子和光學(xué)特性、高的比表面積和熱力學(xué)以及力學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)而產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)作用，使得催化劑有著更為廣泛的應(yīng)用前景。碳納米材料在生物以及生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用得到越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，尤其是在第7章“碳納米管在組織工程學(xué)中的應(yīng)用”中，Susanna Bosi等研究了碳納米管在組織工程學(xué)中的各種應(yīng)用，碳納米管在用于許多生物組織的生長(zhǎng)發(fā)育和增殖方面，有望成為最理想的生物材料之一。
　　石墨烯薄膜的固有化學(xué)反應(yīng)活性、力學(xué)特性和電子轉(zhuǎn)移速率在很大程度上受到折疊形成的褶皺結(jié)構(gòu)的影響。于是，在第8章“納米尺度的折疊和彎曲：石墨烯薄膜彎曲性能的實(shí)驗(yàn)與理論研究”中，Vittorio Morandi等敘述了一種通過(guò)透射電子顯微鏡形貌表征和理論模型建立的新穎方法用于研究褶皺石墨烯晶體的力學(xué)性能。石墨烯和碳納米材料在開(kāi)發(fā)用于生物毒素高選擇性及高靈敏度檢測(cè)的傳感器器件領(lǐng)域也得到了廣泛研究。在第9章“石墨烯及其氧化物材料在化學(xué)與生化傳感中的應(yīng)用”中，Piyush Sindhu Sharma等給出了石墨烯基傳感器所具備的優(yōu)異性能，特別是在快速檢測(cè)和定量化學(xué)毒素、爆炸物、殺蟲(chóng)劑以及病菌等研究領(lǐng)域。
　　目前，科技工作者已經(jīng)廣泛開(kāi)展了有關(guān)碳納米材料的各種各樣的應(yīng)用，人們期待碳納米材料在不久的將來(lái)還會(huì)有更多在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，這本著作可以面向不同領(lǐng)域的研究者：化學(xué)和材料化學(xué)、納米科技、醫(yī)學(xué)和化工等。希望讀者們能從本書(shū)閱覽中有所感悟，激發(fā)出關(guān)于令人著迷的碳納米材料研究工作及相關(guān)領(lǐng)域新的靈感。
　　最后，要感謝當(dāng)代化學(xué)專題的編委會(huì)委員Margherita Venturi教授，他促成了本專題著作的問(wèn)世。