أنابيب الكربون النانوية

يتكون هيكل أنبوب الكربون النانوي المثالي (اللانهائي الطول) أحادي الجدار من شبكة سداسية منتظمة مرسومة على سطح أسطواني لانهائي ، حيث تمثل رؤوسه مواقع ذرات الكربون. ونظرًا لأن طول روابط الكربون-كربون ثابت تقريبًا، توجد قيود على قطر الأسطوانة وترتيب الذرات عليها. ^{[ 18 ]}

في دراسة الأنابيب النانوية، يُعرَّف المسار المتعرج على شبكة شبيهة بالجرافين بأنه مسار ينعطف بزاوية 60 درجة، بالتناوب بين اليسار واليمين، بعد المرور بكل رابطة. ومن المتعارف عليه أيضًا تعريف مسار الكرسي بأنه مسار ينعطف مرتين إلى اليسار بزاوية 60 درجة، متبوعًا بانعطافتين إلى اليمين كل أربع خطوات. في بعض الأنابيب النانوية الكربونية، يوجد مسار متعرج مغلق يحيط بالأنبوب. يُقال حينها إن الأنبوب من النوع أو التكوين المتعرج، أو ببساطة هو أنبوب نانوي متعرج . أما إذا كان الأنبوب محاطًا بمسار كرسي مغلق، فيُقال إنه من النوع الكرسي ، أو أنبوب نانوي كرسي . يتكون الأنبوب النانوي اللانهائي من نوع واحد بالكامل من مسارات مغلقة من ذلك النوع، متصلة ببعضها البعض.

لا تقتصر بنية الأنابيب النانوية أحادية الجدار على التكوينات المتعرجة والكرسية. لوصف بنية أنبوب عام لا نهائي الطول، يُتخيل أنه يُشقّ بقطع موازٍ لمحوره، يمر عبر ذرة ما ( أ) ، ثم يُفرد على سطح مستوٍ، بحيث تتطابق ذراته وروابطه مع تلك الموجودة في صفيحة غرافين افتراضية - أو بالأحرى، مع شريط لا نهائي الطول من تلك الصفيحة. ينتهي نصفي الذرة (أ) على حافتين متقابلتين من الشريط، فوق ذرتين (أ1) و (أ2) من الغرافين. يُمثل الخط الواصل بين (أ1) و (أ2) محيط الأسطوانة التي مرت عبر الذرة (أ) ، ويكون عموديًا على حافتي الشريط. في شبكة الغرافين، يمكن تقسيم الذرات إلى فئتين، بناءً على اتجاهات روابطها الثلاثة. نصف الذرات لها روابطها الثلاثة موجهة في نفس الاتجاه، والنصف الآخر لها روابطها الثلاثة مُدارة بزاوية 180 درجة بالنسبة للنصف الأول. الذرتان A1 و A2 ، اللتان تُقابلان الذرة A نفسها على الأسطوانة، يجب أن تكونا من نفس الفئة. وبناءً على ذلك، فإن محيط الأنبوب وزاوية الشريط ليسا عشوائيين، لأنهما مُقيدان بأطوال واتجاهات الخطوط التي تربط أزواج ذرات الجرافين من نفس الفئة.

لنفترض أن u و v متجهان مستقلان خطيًا يربطان ذرة الجرافين A1 بذرتين من أقرب ذراتها ذات اتجاهات الروابط نفسها. هذان المتجهان يمثلان متجهات شبكة الجرافين. على سبيل المثال، إذا رُقِّمت ذرات الكربون المتتالية حول خلية جرافين من C1 إلى C6، فإن u يمثل المتجه من C1 إلى C3، و v يمثل المتجه من C1 إلى C5. بالتالي، بالنسبة لأي ذرة أخرى A2 من نفس فئة A1 ، يمكن كتابة المتجه من A1 إلى A2 كتركيبة خطية n u + m v ، حيث n و m عددان صحيحان. وبالعكس، يحدد كل زوج من الأعداد الصحيحة ( n , m ) موقعًا محتملاً للذرة A2 . ^{[ 18 ]} بمعرفة n و m ، يمكن عكس هذه العملية النظرية برسم المتجه w على شبكة الجرافين، ثم قص شريط منها على طول خطوط عمودية على w تمر بنقطتي نهايته A1 و A2 ، ولف الشريط على شكل أسطوانة بحيث تلتقي هاتان النقطتان. إذا طُبِّق هذا البناء على زوج ( k , 0)، فستكون النتيجة أنبوبًا نانويًا متعرجًا، بمسارات متعرجة مغلقة مكونة من 2k ذرة . أما إذا طُبِّق على زوج ( k , k )، فستكون النتيجة أنبوبًا على شكل كرسي، بمسارات كرسي مغلقة مكونة من 4k ذرة .

تكون الأنابيب النانوية كيرالية إذا كان نوعها ( n , m )، حيث m > 0 و m ≠ n ؛ أما إذا كان نظيرها المرآوي (صورته المعكوسة) من النوع ( m , n )، وهو نوع مختلف عن ( n , m ). تُقابل هذه العملية عكس الشريط غير الملفوف حول الخط L المار بالنقطة A1 بزاوية 30 درجة باتجاه عقارب الساعة من اتجاه المتجه u (أي مع اتجاه المتجه u + v ). النوعان الوحيدان من الأنابيب النانوية غير الكيرالية هما الأنابيب المتعرجة ( k , 0) والأنابيب ذات الشكل الكرسي ( k , k ). إذا أردنا اعتبار نظيرين مرآويين متطابقين في البنية، فيمكننا حينها اعتبار النوع ( n , m ) فقط، حيث 0 ≤ m ≤ n و n > 0. عندئذٍ، تُسمى الزاوية α بين u و w ، والتي تتراوح من 0 إلى 30 درجة (شاملةً كليهما)، "الزاوية الكيرالية" للأنبوب النانوي.

من n و m يمكن أيضًا حساب المحيط c ، وهو طول المتجه w ، والقطر d ، والذي تبين أنه ( بيكومتر ):

$$\begin{aligned}c&=\left|\boldsymbol{u}\right|\sqrt{(n^{2}+nm+m^{2})}&&\approx 246\sqrt{((n+m)^{2}-nm)}}\\d&=\frac{c}{\pi}&&\approx 78.3\sqrt{((n+m)^{2}-nm)}}\\\end{aligned}}}$$

هذه الصيغ تقريبية فقط، خاصة بالنسبة لقيم n و m الصغيرة حيث تكون الروابط متوترة، وهي لا تأخذ في الاعتبار سمك الجدار.

ترتبط زاوية الميل α بين u و w والمحيط c بمؤشرات النوع n و m من خلال:

$${\displaystyle \alpha \;=\;\arg(n+m/2,\,m{\sqrt {3}}/2)\;=\;\mathop {\mathrm {arc} } \cos {\frac {n+m/2}{c}}}$$

حيث تمثل arg( x , y ) الزاوية باتجاه عقارب الساعة بين المحور X والمتجه ( x , y )؛ وهي دالة متوفرة في العديد من لغات البرمجة باسم atan2( y , x ). وبالعكس، بمعرفة c و α ، يمكن الحصول على النوع ( n , m ) باستخدام الصيغ التالية:

$${\displaystyle m={\frac {2c}{\sqrt {3}}}\sin \alpha \quad \quad n=c\cos \alpha -{\frac {m}{2}}}$$ والتي يجب أن تُقيّم إلى أعداد صحيحة.

أنواع الأنابيب التي تعتبر "منحطة" لكونها ضيقة للغاية

أنبوب متدهور من النوع "المتعرج" (1,0)

أنبوب متدهور من النوع "المتعرج" (2,0)

أنبوب "كرسي بذراعين" متدهور (1,1)

ربما يكون نوع الأنبوب الكيرالي المنحط (2,1)

إذا كانت قيمتا n و m صغيرتين جدًا، فإن البنية الموصوفة بالزوج ( n , m ) ستصف جزيئًا لا يمكن وصفه بشكل معقول بأنه "أنبوب"، وقد لا يكون مستقرًا حتى. على سبيل المثال، البنية الموصوفة نظريًا بالزوج (1,0) (النوع "المتعرج" المحدد) ستكون مجرد سلسلة من ذرات الكربون. هذا هو الجزيء الحقيقي، الكاربين ؛ الذي يتمتع ببعض خصائص الأنابيب النانوية (مثل التهجين المداري، وقوة الشد العالية، وما إلى ذلك) - ولكنه لا يحتوي على فراغ داخلي، وقد لا يكون من الممكن الحصول عليه في حالة مكثفة. من الناحية النظرية، سينتج عن الزوج (2,0) سلسلة من الحلقات الرباعية المندمجة؛ و(1,1)، وهو بنية "الكرسي" المحددة، سينتج عنه سلسلة من الحلقات الرباعية ثنائية الاتصال. قد لا تكون هذه البنى قابلة للتحقيق.

يُعدّ أنبوب الكربون النانوي ذو البنية الكرسيّة من النوع (2,2) أرقّ الأنابيب النانوية الكربونية، ويبلغ قطره 0.3  نانومتر. وقد نُمت هذه الأنابيب داخل أنبوب كربون نانوي متعدد الجدران. وتمّ تحديد نوع أنبوب الكربون النانوي باستخدام مزيج من المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (HRTEM)، ومطيافية رامان ، وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). ^{[ 19 ]}

يبلغ قطر أرق أنبوب نانوي كربوني أحادي الجدار قائم  بذاته حوالي 0.43 نانومتر. ^{[ 20 ]} اقترح الباحثون أنه قد يكون إما (5,1) أو (4,2) SWCNT، لكن النوع الدقيق للأنبوب النانوي الكربوني لا يزال موضع تساؤل. ^{[ 21 ]} تم تحديد الأنابيب النانوية الكربونية (3,3) و(4,3) و(5,1) (جميعها  بقطر حوالي 0.4 نانومتر) بشكل قاطع باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة المصحح للانحرافات داخل الأنابيب النانوية الكربونية ثنائية الجدار. ^{[ 22 ]}

تم الإبلاغ عن رصد أطول أنابيب نانوية كربونية تم إنتاجها حتى الآن، والتي يبلغ طولها حوالي 0.5  متر (550 مم)، في عام 2013. ^{[ 23 ]} وقد تم إنتاج هذه الأنابيب النانوية على ركائز من السيليكون باستخدام طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) المحسّنة ، وهي تمثل مصفوفات متجانسة كهربائياً من أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار. ^{[ 24 ]} 

يمكن اعتبار مركب سيكلوبارافينيلين العضوي أقصر أنبوب نانوي كربوني ، والذي تم تصنيعه عام 2008 بواسطة راميش جاستي . ^{[ 25 ]} وقد تم تصنيع أنابيب نانوية كربونية أخرى ذات جزيئات صغيرة منذ ذلك الحين . ^{[ 26 ]}

تم تحقيق أعلى كثافة لأنابيب الكربون النانوية في عام 2013، حيث نُمت على سطح نحاسي موصل مطلي بالتيتانيوم، ومغطى بمحفزات مساعدة من الكوبالت والموليبدينوم ، عند درجات حرارة أقل من المعتاد (450 درجة مئوية). بلغ متوسط ​​ارتفاع الأنابيب 380 نانومترًا، وكثافتها 1.6 غرام/سم³ ^. أظهرت المادة موصلية أومية (أقل مقاومة ~22 كيلو أوم). ^{[ 27 ] [ 28 ]}  

تتكون الأنابيب النانوية متعددة الجدران (MWNTs) من طبقات متعددة ملفوفة (أنابيب متحدة المركز) من الجرافين. يوجد نموذجان لوصف بنية هذه الأنابيب. في نموذج "الدمية الروسية" ، تُرتّب صفائح الجرافيت في أسطوانات متحدة المركز، مثل أنبوب نانوي أحادي الجدار (0,8) داخل أنبوب نانوي أحادي الجدار أكبر (0,17). أما في نموذج "الرق" ، فتُلفّ صفيحة واحدة من الجرافيت حول نفسها، لتشبه لفافة من الرق أو جريدة ملفوفة. المسافة بين الطبقات في الأنابيب النانوية متعددة الجدران قريبة من المسافة بين طبقات الجرافين في الجرافيت، أي حوالي 3.4 أنغستروم. يُلاحظ نموذج "الدمية الروسية" بشكل أكثر شيوعًا، ويمكن وصف أغلفة كل منها بأنها أنابيب نانوية أحادية الجدار، والتي قد تكون معدنية أو شبه موصلة. ^{[ 30 ] [ 31 ]} نظرًا للاحتمالية الإحصائية والقيود المفروضة على الأقطار النسبية للأنابيب الفردية، فإن أحد الأغلفة، وبالتالي الأنبوب النانوي الكربوني متعدد الجدران بأكمله، يكون عادةً معدنًا بدون فجوة طاقة. ^{[ 32 ]}

تُشكّل الأنابيب النانوية الكربونية ذات الجدران المزدوجة (DWNTs) فئةً خاصةً من الأنابيب النانوية، إذ تتشابه بنيتها وخصائصها مع الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWNTs)، لكنها أكثر مقاومةً للتأثيرات الكيميائية. ^{[ 33 ]} يكتسب هذا الأمر أهميةً خاصةً عند الحاجة إلى إضافة وظائف كيميائية إلى سطح الأنابيب النانوية ( الوظيفية ) لتحسين خصائصها. تؤدي الوظيفةية التساهمية للأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار إلى كسر بعض الروابط المزدوجة C=C ، تاركةً "فجوات" في بنية الأنبوب النانوي، وبالتالي تعديل خصائصه الميكانيكية والكهربائية. أما في حالة الأنابيب النانوية الكربونية ثنائية الجدران، فيتم تعديل الجدار الخارجي فقط. وقد طُرحت فكرة تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية ثنائية الجدران بكميات كبيرة (بالغرامات) باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المحفز (CCVD) لأول مرة عام 2003 ^{[ 34 ]} من خلال الاختزال الانتقائي لمحاليل الأكاسيد في الميثان والهيدروجين.

إن قدرة الأغلفة الداخلية على الحركة التلسكوبية، مما يسمح لها بالعمل كمحامل نانوية ونوابض نانوية منخفضة الاحتكاك والتآكل، قد يجعلها مادة مرغوبة في الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS). ^{[ 35 ]} وتنتج قوة الانكماش المصاحبة للحركة التلسكوبية عن تفاعل لينارد-جونز بين الأغلفة، وتبلغ قيمتها حوالي 1.5  نانونيوتن. ^{[ 36 ]}

نوقشت الوصلات بين أنبوبين نانويين أو أكثر على نطاق واسع نظريًا. ^{[ 37 ] [ 38 ]} وتُلاحظ هذه الوصلات بشكل متكرر في العينات المُحضّرة بتقنية التفريغ القوسي وكذلك بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار . وقد درس لامبين وآخرون ^{[ 39 ]} الخصائص الإلكترونية لهذه الوصلات نظريًا لأول مرة، مشيرين إلى أن الاتصال بين أنبوب معدني وآخر شبه موصل يُمثل وصلة غير متجانسة على المستوى النانوي . وبالتالي، يُمكن أن تُشكل هذه الوصلة مُكوّنًا من مكونات الدائرة الإلكترونية القائمة على الأنابيب النانوية . تُظهر الصورة المجاورة وصلة بين أنبوبين نانويين متعددي الجدران.

تمت دراسة الوصلات بين الأنابيب النانوية والجرافين نظريًا ^{[ 40 ]} وتجريبيًا ^{[ 41 ]} . تُشكل وصلات الأنابيب النانوية والجرافين أساس الجرافين المدعم ، حيث تفصل الأنابيب النانوية القصيرة بين صفائح الجرافين المتوازية ^{[ 42 ]} . يُمثل الجرافين المدعم فئة من هياكل الأنابيب النانوية الكربونية ثلاثية الأبعاد .

أبرزت العديد من الدراسات مؤخرًا إمكانية استخدام أنابيب الكربون النانوية كعناصر بناء لتصنيع  أجهزة كربونية ثلاثية الأبعاد ماكروسكوبية (أكبر من 100 نانومتر في جميع الأبعاد الثلاثة). وقد أبلغ لالواني وزملاؤه عن طريقة جديدة للربط الحراري المحفز بالجذور الحرة لتصنيع هياكل كربونية ماكروسكوبية، قائمة بذاتها، مسامية، باستخدام أنابيب الكربون النانوية أحادية ومتعددة الجدران كعناصر بناء. ^{[ 43 ]} تتميز هذه الهياكل بمسام ذات بنية ماكروسكوبية وميكروسكوبية ونانوية، ويمكن تعديل المسامية لتناسب تطبيقات محددة. يمكن استخدام هذه الهياكل/البنى الكربونية ثلاثية الأبعاد في تصنيع الجيل القادم من أجهزة تخزين الطاقة، والمكثفات الفائقة، وترانزستورات الانبعاث الميداني، والحفز عالي الأداء، والخلايا الكهروضوئية، والأجهزة الطبية الحيوية، والغرسات، وأجهزة الاستشعار. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

براعم الكربون النانوية مادة مُستحدثة تجمع بين شكلين متآصلين للكربون تم اكتشافهما سابقًا: أنابيب الكربون النانوية والفوليرين . في هذه المادة الجديدة، ترتبط "براعم" شبيهة بالفوليرين بروابط تساهمية بالجدران الخارجية لأنبوب الكربون النانوي الأساسي. تتمتع هذه المادة الهجينة بخصائص مفيدة لكل من الفوليرين وأنابيب الكربون النانوية. وعلى وجه الخصوص، وُجد أنها باعثات حقلية ممتازة للغاية . ^{[ 46 ]} في المواد المركبة ، قد تعمل جزيئات الفوليرين المرتبطة كمثبتات جزيئية تمنع انزلاق الأنابيب النانوية، مما يُحسّن الخصائص الميكانيكية للمادة المركبة.

يُعدّ " قرن البازلاء الكربوني" ^{[ 47 ] [ 48 ]} مادة كربونية هجينة جديدة تحصر الفوليرين داخل أنبوب نانوي كربوني. ويمكن أن يمتلك خصائص مغناطيسية مثيرة للاهتمام عند تسخينه أو تعريضه للإشعاع. كما يمكن استخدامه كمذبذب خلال الدراسات والتنبؤات النظرية. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

نظرياً، النانوتورس عبارة عن أنبوب نانوي كربوني مثني على شكل حلقة (شكل كعكة). من المتوقع أن تتمتع النانوتورس بخصائص فريدة عديدة، مثل العزوم المغناطيسية التي تفوق بألف مرة ما كان متوقعاً سابقاً لأقطار محددة. ^{[ 51 ]} وتختلف خصائص مثل العزم المغناطيسي والاستقرار الحراري وغيرها اختلافاً كبيراً تبعاً لقطر الحلقة وقطر الأنبوب. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

تُعدّ أنابيب الكربون النانوية المُغطاة بالجرافين نوعًا هجينًا حديثًا نسبيًا، يجمع بين رقائق الجرافيت النامية على طول الجدران الجانبية لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران أو ذات الشكل الشبيه بالخيزران. وتختلف كثافة هذه الرقائق تبعًا لظروف الترسيب (مثل درجة الحرارة والزمن)، حيث يتراوح تركيبها من بضع طبقات من الجرافين (أقل من 10 طبقات) إلى هياكل أكثر سمكًا وأقرب إلى الجرافيت . ^{[ 53 ]} وتكمن الميزة الأساسية لهيكل الجرافين -أنابيب الكربون النانوية المتكامل في المساحة السطحية العالية للإطار ثلاثي الأبعاد لأنابيب الكربون النانوية، بالإضافة إلى الكثافة العالية لحواف الجرافين. ويمكن لترسيب كثافة عالية من رقائق الجرافين على طول أنابيب الكربون النانوية المتراصة أن يزيد بشكل ملحوظ من السعة الكلية للشحنة لكل وحدة مساحة اسمية، مقارنةً بهياكل الكربون النانوية الأخرى. ^{[ 54 ]}

تختلف أنابيب الكربون النانوية ذات البنية الكأسية (CSCNTs) عن هياكل الكربون شبه أحادية البعد الأخرى، التي تتصرف عادةً كموصلات شبه معدنية للإلكترونات. تُظهر أنابيب الكربون النانوية ذات البنية الكأسية سلوكًا شبه موصل بسبب البنية المجهرية المكدسة لطبقات الجرافين. ^{[ 55 ]}

تُعدّ أنابيب الكربون النانوية أقوى وأصلب المواد المكتشفة حتى الآن من حيث قوة الشد ومعامل المرونة . وتنتج هذه القوة عن الروابط التساهمية sp² ^{المتكونة} بين ذرات الكربون. في عام 2000، أُجري اختبار على أنبوب كربون نانوي متعدد الجدران، فتبين أن قوة شده تبلغ 63 جيجا باسكال (9,100,000 رطل/بوصة مربعة) . ^{[ 56 ]} (على سبيل المثال، يُترجم هذا إلى القدرة على تحمل شد وزن يعادل 6,422 كيلوغرامًا (62,980 نيوتن؛ 14,160 رطلًا) على كابل ذي مقطع عرضي 1 مم² ⁽ 0.0016 بوصة مربعة) ). وكشفت دراسات أخرى، مثل دراسة أُجريت عام 2008، أن أغلفة أنابيب الكربون النانوية الفردية تتمتع بقوة تصل إلى 100 جيجا باسكال تقريبًا (15,000,000 رطل/بوصة مربعة) ، وهو ما يتوافق مع النماذج الكمومية/الذرية. ^{[ 57 ]} نظرًا لأن أنابيب الكربون النانوية لها كثافة منخفضة بالنسبة للمادة الصلبة تتراوح من 1.3 إلى 1.4 جم/سم ³ ، ^{[ 58 ]} فإن قوتها النوعية التي تصل إلى 48000 كيلو نيوتن متر/كجم هي الأفضل بين المواد المعروفة، مقارنة بـ 154 كيلو نيوتن متر/كجم للفولاذ عالي الكربون .            

على الرغم من أن قوة أغلفة أنابيب الكربون النانوية الفردية عالية للغاية، إلا أن تفاعلات القص الضعيفة بين الأغلفة والأنابيب المتجاورة تؤدي إلى انخفاض كبير في القوة الفعالة لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران وحزم أنابيب الكربون النانوية إلى بضعة جيجا باسكال فقط. ^{[ 59 ]} وقد تم التغلب على هذا القيد مؤخرًا بتطبيق تشعيع إلكتروني عالي الطاقة، والذي يعمل على ربط الأغلفة والأنابيب الداخلية، مما يزيد بشكل فعال من قوة هذه المواد إلى حوالي 60 جيجا باسكال لأنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران ^{[ 57 ]} وحوالي 17 جيجا باسكال لحزم أنابيب الكربون النانوية ثنائية الجدران. ^{[ 59 ]} لا تتمتع أنابيب الكربون النانوية بنفس القوة تحت الضغط. نظرًا لبنيتها المجوفة ونسبة أبعادها العالية، فإنها تميل إلى الانبعاج عند تعرضها لإجهاد ضغط أو التواء أو انحناء. ^{[ 60 ]}

من جهة أخرى، تشير الأدلة إلى أن هذه الأنابيب النانوية الكربونية تتميز بمرونة نسبية في الاتجاه القطري. وقد أوضحت أول دراسة بالمجهر الإلكتروني النافذ لمرونة هذه الأنابيب في الاتجاه القطري أن قوى فان دير فالس قادرة على تشويه أنبوبين نانويين متجاورين. وفي وقت لاحق، أجرت عدة مجموعات بحثية اختبارات قياس المرونة النانوية باستخدام مجهر القوة الذرية لقياس المرونة القطرية للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران كميًا، كما تم استخدام مجهر القوة الذرية بتقنية النقر/التلامس على الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. ويشير معامل يونغ العالي لهذه الأنابيب في الاتجاه الخطي، والذي يصل إلى عدة جيجا باسكال (بل ويصل إلى 1.8 تيرا باسكال تم قياسها تجريبيًا، للأنابيب النانوية التي يبلغ طولها حوالي 2.4 ميكرومتر ^{[ 61 ]} )، إلى أنها قد تكون لينة في الاتجاه القطري.

على عكس الجرافين، وهو شبه فلز ثنائي الأبعاد ، فإن أنابيب الكربون النانوية إما فلزية ^{[ 62 ]} أو شبه موصلة على طول محورها الأنبوبي. بالنسبة لأنبوب نانوي معين ( n , m )، إذا كان n = m ، يكون الأنبوب النانوي فلزيًا؛ وإذا كان n − m من مضاعفات 3 و n ≠ m، فإن الأنبوب النانوي يكون شبه فلزّي بفجوة نطاق صغيرة جدًا، وإلا فإن الأنبوب النانوي يكون شبه موصل متوسط ^{​​[ 63 ]} . وبالتالي، فإن جميع الأنابيب النانوية ذات التكوين المتعرج ( n = m ) فلزية، والأنابيب النانوية (6,4) و(9,1) وما إلى ذلك تكون شبه موصلة. ^{[ 64 ]} أنابيب الكربون النانوية ليست شبه معدنية لأن النقطة المنحلة (النقطة التي يلتقي فيها نطاق π [الرابط] مع نطاق π* [المضاد للرابط]، والتي عندها تصبح الطاقة صفرًا) تنزاح قليلاً بعيدًا عن النقطة K في منطقة بريلوين بسبب انحناء سطح الأنبوب، مما يتسبب في التهجين بين نطاقي σ* و π* المضادين للرابط، مما يؤدي إلى تعديل تشتت النطاق.

توجد استثناءات لقاعدة السلوك المعدني مقابل شبه الموصل، إذ يمكن أن تؤثر تأثيرات الانحناء في الأنابيب ذات الأقطار الصغيرة بشكل كبير على الخصائص الكهربائية. ^{[ 65 ]} وبالتالي، فإن أنبوب الكربون النانوي أحادي الجدار (5,0)، الذي يفترض أن يكون شبه موصل، هو في الواقع معدني وفقًا للحسابات. وبالمثل، فإن أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار المتعرجة واللولبية ذات الأقطار الصغيرة، والتي يفترض أن تكون معدنية، لها فجوة طاقة محدودة (بينما تظل الأنابيب النانوية ذات الشكل الكرسي معدنية). ^{[ 64 ]} نظريًا، يمكن للأنابيب النانوية المعدنية أن تحمل كثافة تيار كهربائي تبلغ 4 مليارات أمبير/سم² ^، أي أكثر من 1000 مرة من كثافة تيار المعادن مثل النحاس ، ^{[ 66 ]} حيث تكون كثافة التيار في وصلات النحاس محدودة بسبب الهجرة الكهربائية . لذلك، يجري استكشاف أنابيب الكربون النانوية كوصلات ومكونات معززة للتوصيلية في المواد المركبة، وتسعى العديد من المجموعات البحثية إلى تسويق أسلاك كهربائية عالية التوصيلية مُجمَّعة من أنابيب الكربون النانوية الفردية. ومع ذلك، هناك تحديات كبيرة يجب التغلب عليها، مثل تشبع التيار غير المرغوب فيه تحت الجهد، ^{[ 67 ]} والوصلات الأكثر مقاومة بين الأنابيب النانوية والشوائب، وكلها تقلل من الموصلية الكهربائية لأسلاك الأنابيب النانوية الكبيرة بمقدار عدة مراتب مقارنة بموصلية الأنابيب النانوية الفردية.

بسبب مقطعها العرضي النانوي، تنتشر الإلكترونات فقط على طول محور الأنبوب. ونتيجة لذلك، يُشار إلى أنابيب الكربون النانوية غالبًا باسم الموصلات أحادية البعد. تبلغ أقصى ^موصلية كهربائية لأنبوب كربون نانوي أحادي الجدار 2G₀ ، حيث _G₀ = 2e² _/ h هي موصلية قناة كمومية باليستية واحدة . ^{[ 68 ]}

نظراً لدور نظام إلكترونات باي في تحديد الخصائص الإلكترونية للجرافين ، يختلف تطعيم أنابيب الكربون النانوية عن تطعيم أشباه الموصلات البلورية الضخمة من نفس المجموعة في الجدول الدوري (مثل السيليكون). يؤدي استبدال ذرات الكربون في جدار الأنبوب النانوي بعناصر البورون أو النيتروجين إلى سلوك من النوع p والنوع n على التوالي، كما هو متوقع في السيليكون. مع ذلك، فإن بعض العناصر غير الاستبدالية ( المتداخلة أو الممتزة) التي تُدخل في أنبوب الكربون النانوي، مثل الفلزات القلوية والميتالوسينات الغنية بالإلكترونات ، تؤدي إلى توصيل من النوع n لأنها تمنح إلكترونات لنظام إلكترونات باي في الأنبوب النانوي. في المقابل، تعمل مستقبلات إلكترونات باي، مثل كلوريد الحديد _{الثلاثي} أو الميتالوسينات الفقيرة بالإلكترونات، كعناصر تطعيم من النوع p لأنها تسحب إلكترونات باي بعيداً عن قمة نطاق التكافؤ.

تم الإبلاغ عن الموصلية الفائقة الذاتية ، ^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]} على الرغم من أن تجارب أخرى لم تجد أي دليل على ذلك، مما يجعل هذا الادعاء موضع نقاش. ^{[ 72 ]}

في عام ٢٠٢١، نشر مايكل سترانو، أستاذ الهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) والحائز على كرسي كاربون بي. دوبس، نتائج بحث أجراه القسم حول استخدام أنابيب الكربون النانوية لتوليد تيار كهربائي. ^{[ ٧٣ ]} فعند غمر هذه الأنابيب في مذيب عضوي، استقطب السائل الإلكترونات من جزيئات الكربون. ونُقل عن سترانو قوله: "هذا يُتيح إجراء الكيمياء الكهربائية دون أسلاك"، وهو ما يُمثل إنجازًا هامًا في هذه التقنية. ^{[ ٧٤ ]} وتشمل التطبيقات المستقبلية تشغيل الروبوتات متناهية الصغر أو متناهية الصغر، بالإضافة إلى تحفيز تفاعلات أكسدة الكحول، وهي تفاعلات بالغة الأهمية في الصناعة الكيميائية. ^{[ ٧٤ ]}

تؤثر العيوب البلورية أيضًا على الخصائص الكهربائية للأنبوب. ومن النتائج الشائعة انخفاض الموصلية في المنطقة المعيبة من الأنبوب. ويمكن أن يتسبب عيب في الأنابيب المعدنية من نوع الكرسي (التي يمكنها توصيل الكهرباء) في جعل المنطقة المحيطة بها شبه موصلة، كما أن الفراغات أحادية الذرة تحفز الخصائص المغناطيسية. ^{[ 75 ]}

تتمتع أنابيب الكربون النانوية بخصائص امتصاص وتألق ضوئي ( فلورية ) وطيف رامان مفيدة . توفر الطرق الطيفية إمكانية توصيف سريع وغير متلف لكميات كبيرة نسبيًا من أنابيب الكربون النانوية. ثمة حاجة ماسة لهذا التوصيف من وجهة نظر صناعية، إذ يمكن تغيير العديد من معايير تصنيع الأنابيب النانوية ، عمدًا أو عن غير قصد، لتغيير جودتها، مثل محتوى الكربون غير الأنبوبي، وبنية (كيرالية) الأنابيب النانوية المنتجة، والعيوب البنيوية. وتحدد هذه الخصائص بدورها جميع الخصائص البصرية والميكانيكية والكهربائية المهمة الأخرى تقريبًا.

تم استكشاف الخصائص البصرية لأنابيب الكربون النانوية لاستخدامها في تطبيقات مثل الثنائيات الباعثة للضوء ( LEDs ) ^{[ 78 ] [ 79 ]} وكواشف الضوء ^{[ 80 ]} التي تم إنتاجها في المختبر باستخدام أنبوب نانوي واحد. لا تكمن ميزتها الفريدة في كفاءتها، التي لا تزال منخفضة نسبيًا، بل في انتقائيتها الدقيقة في طول موجة انبعاث الضوء وكشفه، وإمكانية ضبطها بدقة من خلال بنية الأنبوب النانوي. بالإضافة إلى ذلك، تم تصنيع أجهزة قياس الإشعاع الحراري ^{[ 81 ]} وذاكرة إلكترونية ضوئية ^{[ 82 ]} باستخدام مجموعات من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار. كما تم دراسة تألق الأنابيب النانوية لأغراض التصوير والاستشعار في التطبيقات الطبية الحيوية ^{[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] .}

من المتوقع أن تكون جميع الأنابيب النانوية موصلات حرارية ممتازة على طول الأنبوب، ^{[ 86 ] [ 87 ]} حيث تُظهر خاصية تُعرف باسم " التوصيل الباليستي "، ولكنها عازلة جيدة على جانبي محور الأنبوب. تُظهر القياسات أن الأنبوب النانوي الكربوني أحادي الجدار (SWNT) يتمتع بموصلية حرارية عند درجة حرارة الغرفة على طول محوره تبلغ حوالي 3500 واط/متر ^/ كلفن ^؛ [ ^{88 ] قارن} هذا بالنحاس، وهو معدن معروف بموصليته الحرارية الجيدة ، والذي ينقل 385 واط/متر /كلفن ^{. يتمتع} الأنبوب النانوي الكربوني أحادي الجدار (SWNT) بموصلية حرارية عند درجة حرارة الغرفة على جانبي محوره (في الاتجاه القطري) تبلغ حوالي 1.52 واط/متر ^/ كلفن ^، [ ^{89 ] وهي} موصلية حرارية تُقارب موصلية التربة. وصلت الموصلية الحرارية للتجمعات المجهرية للأنابيب النانوية، كالأغشية والألياف، إلى 1500 واط/متر ^/ كلفن ^حتى الآن. ^{[ 90 ]} وتُظهر الشبكات المكونة من الأنابيب النانوية قيمًا مختلفة للموصلية الحرارية، بدءًا من مستوى العزل الحراري الذي تبلغ موصليته الحرارية 0.1 واط/متر ^/ كلفن ^، وصولًا إلى هذه القيم العالية. ^{[ 91 ]} ويعتمد ذلك على مقدار مساهمة الشوائب، وعدم انتظام المحاذاة، وعوامل أخرى في المقاومة الحرارية للنظام. ويُقدّر استقرار درجة حرارة الأنابيب النانوية الكربونية بما يصل إلى 2800  درجة مئوية في الفراغ ، ونحو 750  درجة مئوية في الهواء. ^{[ 92 ]}

تؤثر العيوب البلورية بشدة على الخصائص الحرارية للأنابيب النانوية. وتؤدي هذه العيوب إلى تشتت الفونونات ، مما يزيد بدوره من معدل استرخاء الفونونات . وهذا بدوره يقلل من متوسط ​​المسار الحر ويقلل من الموصلية الحرارية لهياكل الأنابيب النانوية. وتشير محاكاة نقل الفونونات إلى أن العيوب الاستبدالية، مثل النيتروجين أو البورون، تؤدي في المقام الأول إلى تشتت الفونونات الضوئية عالية التردد. ومع ذلك، فإن العيوب الأكبر حجمًا، مثل عيوب ستون-ويلز، تتسبب في تشتت الفونونات عبر نطاق واسع من الترددات، مما يؤدي إلى انخفاض أكبر في الموصلية الحرارية. ^{[ 93 ]}

أظهرت الدراسات الحديثة أن أنابيب الكربون النانوية تمتلك خصائص مضادة للبكتيريا. فهي تعطل وظائف البكتيريا الطبيعية عن طريق إحداث ضرر فيزيائي/ميكانيكي، وتسهيل الإجهاد التأكسدي أو استخلاص الدهون، وتثبيط عملية التمثيل الغذائي للبكتيريا، وعزل المواقع الوظيفية من خلال تغليفها بمواد نانوية تحتوي على أنابيب الكربون النانوية. ^{[ 94 ]}

تتميز الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الكيرالية باحتوائها على شوائب أقل أو معدومة، بالإضافة إلى أطياف ضوئية محددة جيدًا وغير مزدحمة. وهذا يسمح بإنشاء أجهزة استشعار حيوية قائمة على الأنابيب النانوية الكربونية ذات حساسية وانتقائية أعلى. ^{[ 122 ]} على سبيل المثال، تُعد الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الكيرالية ضرورية لأنظمة الاستشعار المتعددة والنسبية ^{[ 123 ] [ 124 ]} ذات الحساسية المحسّنة ^{[ 125 ]} والتوافق الحيوي . ^{[ 126 ]}

حددت العديد من الدراسات الخصائص الفيزيائية والكيميائية الرئيسية لأنابيب الكربون النانوية التي تؤثر على تفاعلاتها البيولوجية وخصائصها السمية في كل من الأنظمة المختبرية والحيوية:

نسبة الطول إلى العرض، والطول، والصلابة: تُظهر الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة والصلبة قدرةً متزايدةً على البقاء الحيوي، وترتبط ارتباطًا وثيقًا بتكوّن الألياف، من خلال تنشيط مسارات إشارات Smad2/3 وERK1/2. ^{[ 155 ] [ 156 ]} يمكن أن تؤدي نسبة الطول إلى العرض العالية وشكلها الشبيه بالألياف، الذي يُذكّر بالأسبستوس، إلى إعاقة التخلص منها بواسطة البلاعم، وتحفيز الالتهاب، وإعادة تشكيل الأنسجة الليفية، وتكوّن الأورام الحبيبية، ^{[ 157 ] [ 158 ]} وحتى تلف الحمض النووي. ^{[ 159 ]}

ارتبطت أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (MWCNTs)، التي يتراوح طولها بين 0.5 و10 ميكرومتر تقريبًا، بأمراض رئوية حادة، بما في ذلك التليف الرئوي الشبيه بتليف الأسبستوز وورم المتوسطة. ^{[ 160 ]} وبالمثل، يمكن لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs) التي يزيد طولها عن 10 ميكرومتر أن تُسبب آفات حبيبية. في المقابل،  تُزال أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار الأقصر - وخاصة تلك التي يقل طولها عن 300 نانومتر والمنتشرة جيدًا - من الجسم بسهولة أكبر عبر مسارات الإخراج الكلوي والصفراوي. ^{[ 161 ]} وقد أظهرت هذه الأنابيب النانوية أحادية الجدار الأقصر والأكثر نقاءً انخفاضًا ملحوظًا في الاستجابات الالتهابية والسامة للخلايا، وحتى الآن، لا يوجد دليل قاطع على قدرتها على التسبب بالسرطان.

حالة التجمع: تشير حالة تجمع الأنابيب النانوية الكربونية إلى ميلها للتكتل في حزم أو تجمعات، مدفوعةً بشكل أساسي بقوى فان دير فالس والتفاعلات الكهروستاتيكية. وقد لوحظ وجود ارتباط إيجابي بين درجة التجمع والقدرة السامة للخلايا، حيث تُظهر تجمعات الأنابيب النانوية الكربونية سمية أكبر من حزمها. ^{[ 162 ] [ 163 ] [ 164 ]}

تميل الأنابيب النانوية الكربونية المتكتلة إلى تكوين تراكيب أكبر وأكثر صلابة وتماسكًا - تشبه في شكلها ألياف الأسبستوس - مقارنةً بحزم الأنابيب النانوية الكربونية الأقل تماسكًا. ^{[ 165 ]} وعلى وجه التحديد، فقد ثبت أن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار المتكتلة تحفز التهابًا حبيبيًا واضحًا، يتميز بتكوين حبيبات محاطة بخلايا بلعمية متضخمة في غضون سبعة أيام بعد التعرض. في المقابل، تُثير الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار جيدة التشتت استجابات التهابية أقل حدة بشكل ملحوظ. ^{[ 166 ]}

الشوائب: ترتبط الملوثات المعدنية في مواد الأنابيب النانوية الكربونية ارتباطًا وثيقًا بتحفيز الإجهاد التأكسدي والاستجابات الالتهابية، حيث تتناسب مستويات السمية ارتباطًا وثيقًا بمحتوى المعدن. ^{[ 167 ] [ 168 ] [ 169 ] [ 170 ]} ومن بينها، يُعد الحديد عاملًا محفزًا قويًا لتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية داخل الخلايا، مما يُخل بتوازن الحديد ويُعزز الضرر التأكسدي. ^{[ 171 ] [ 170 ]} يُظهر النيكل نشاطًا حيويًا عاليًا وقدرة التهابية. يُعتقد أن الآلية الكامنة وراء ذلك تتضمن عدم استقرار غشاء الليزوزوم، مما يؤدي إلى إطلاق الكاثيبسين B والتنشيط اللاحق لمسار الإنفلاماسوم NLRP3. ^{[ 172 ]}

إلى جانب الشوائب المعدنية، يمكن أن يؤدي وجود الملوثات غير المعدنية، بما في ذلك الكربون غير المتبلور وغيره من المنتجات الثانوية الكربونية (مثل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات)، إلى تعديل الاستجابة البيولوجية لأنابيب الكربون النانوية بشكل كبير، مما يساهم في السمية الخلوية والإشارات الالتهابية. ^{[ 173 ] [ 174 ]}

الطول والقطر وحالة التكتل: عادةً ما تُشكّل الأنابيب النانوية الكربونية المُصنّعة حديثًا حزمًا أو تكتلات كبيرة، ما يرتبط بزيادة سميتها الخلوية. ويمكن التخفيف من هذه السمية عن طريق تفكيكها إلى أنابيب نانوية كربونية منفردة وتحديد طولها. وتُجرى هذه التعديلات عادةً باستخدام الموجات فوق الصوتية في وجود مواد خافضة للتوتر السطحي أو بوليمرات، يليها الطرد المركزي الفائق لإزالة الحزم المتبقية والشوائب. تُحسّن هذه المعالجة التشتت، وتقلل الصلابة، وتُحسّن التوافق الحيوي. ^{[ 175 ]}

الإثراء والتصنيف أحادي النوع: يُسهم عدم التجانس في مواد الأنابيب النانوية الكربونية في استجابات بيولوجية غير متسقة. يمكن لتقنيات الفرز المتقدمة، مثل الاستخلاص ثنائي الطور المائي، ^{[ 176 ] [ 177 ]} والكروماتوغرافيا الاستبعادية الحجمية، ^{[ 178 ] [ 179 ]} والطرد المركزي الفائق بتدرج الكثافة، ^{[ 180 ] [ 181 ]} فرز الأنابيب النانوية الكربونية وفقًا لمعايير محددة مثل القطر والطول وعدد الجدران والالتفافية.

تحسين النقاء: يتم استخدام تقنيات التنقية بعد التخليق - مثل الأكسدة المعتدلة، ^{[ 182 ]} المعالجة بالموجات فوق الصوتية في بيروكسيد الهيدروجين أو الأسيتون، ^{[ 183 ] ​​[ 184 ]} الغسل الحمضي، ^{[ 182 ] [ 185 ]} والتلدين المتوهج ^{[ 186 ]} - لإزالة المحفزات المعدنية المتبقية والمنتجات الثانوية الكربونية.

تعديل السطح:

التعديل غير التساهمي : إن تغليف الأنابيب النانوية الكربونية ببوليمرات متوافقة حيوياً مثل الحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA)، ^{[ 175 ]} فوسفوليبيد-بولي إيثيلين جلايكول، ^{[ 187 ]} أو Pluronic F108 ^{[ 188 ]} يعزز الذوبان والاستقرار الغرواني والتوافق البيولوجي دون تغيير البنية الجوهرية للأنابيب النانوية.

التعديل التساهمي : يمكن أن يقلل إدخال مجموعات الكربوكسيل من السمية الخلوية والرئوية عن طريق تثبيط تنشيط جسيم NLRP3 الالتهابي وخفض مستوى السيتوكينات المحفزة للالتهاب (مثل IL-1β وTGF-β1 وPDGF-AA). ^{[ 189 ]} يقلل ربط البولي إيثيلين جلايكول (PEG) تساهميًا من امتصاص الخلايا، وامتصاص البروتين، والإجهاد التأكسدي، وتنشيط الجهاز المناعي، مما يقلل من التعرف المناعي والالتهاب الجهازي. ^{[ 190 ]}

التعرض الرئوي : يُشكل استنشاق أنابيب الكربون النانوية المحمولة جوًا أثناء التصنيع أو المناولة الخطر الأكبر. ^{[ 191 ]} يمكن أن تُسبب أنابيب الكربون النانوية سمية رئوية تعتمد على الجرعة، بما في ذلك تكوّن الأورام الحبيبية والتليف والالتهاب. تُعد أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران، نظرًا لبنيتها الليفية، عرضةً بشكل خاص لإثارة استجابات شبيهة بتأثير الأسبستوس. ^{[ 192 ] [ 193 ]} قد تنتقل أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار إلى الدورة الدموية، ولكنها تُظهر عمومًا سمية رئوية مزمنة أقل. ^{[ 194 ]}

التعرض الجلدي والاستهلاكي : يوفر الجلد السليم حاجزًا أمام اختراق أنابيب الكربون النانوية، على الرغم من الإبلاغ عن التهاب جلدي موضعي، بينما تشير الأدلة إلى تأثير محدود على الصحة العامة. ^{[ 191 ] [ 195 ]}

التعرض الفموي والجهازي : يؤدي تناول أنابيب الكربون النانوية عن طريق الفم عادةً إلى انخفاض التوافر الحيوي وسرعة الإخراج، مع ملاحظة تأثيرات ملحوظة فقط عند الجرعات العالية. ^{[ 191 ] [ 196 ]} أما التعرض الجهازي عبر الحقن الوريدي أو داخل الصفاق فهو ذو أهمية أساسية في السياقات التجريبية أو العلاجية.

بفضل مساحة سطحها الكبيرة نسبيًا، تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بقدرة على التفاعل مع مجموعة واسعة من العوامل العلاجية والتشخيصية (الأدوية، الجينات، اللقاحات، الأجسام المضادة، أجهزة الاستشعار الحيوية، وغيرها). ويمكن استغلال هذه الخاصية للمساعدة في توصيل الأدوية مباشرةً إلى الخلايا. ^{[ 197 ]} إضافةً إلى ذلك، استُخدمت الأنابيب النانوية الكربونية مؤخرًا كعناصر تقوية في الغرسات والهياكل الداعمة نظرًا لمساحة تفاعلها المناسبة، ومعامل مرونتها العالي، وقدرتها على نقل الأحمال. ^{[ 198 ] [ 199 ]}

لقد ثبت أن الأنابيب النانوية الكربونية تزيد من فعالية الطلاءات النشطة بيولوجيًا في التصاق وتكاثر وتمايز الخلايا العظمية ، وقد تم استخدامها كمادة بديلة للعظام. ^{[ 200 ]}

يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كمواد تقوية للطلاءات المحتوية على الكيتوزان المستخدمة في الغرسات والهياكل الطبية . ^{[ 201 ]}

تتميز الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) بأبعاد نانوية تتناسب مع حجم الكائنات الحية. وبفضل هذا التوافق في الحجم ونسبة مساحة سطحها إلى حجمها الكبيرة، فهي حساسة للتغيرات في بيئتها الكيميائية. ^{[ 202 ] [ 203 ]} ومن خلال التعديل السطحي التساهمي وغير التساهمي، يمكن تصميم الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بدقة لتفاعلات جزيئية انتقائية مع المادة المراد تحليلها. ^{[ 122 ]} تمثل الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار وحدة التحويل التي تحول التفاعل إلى تغيير في الإشارة (بصرية أو كهربائية). ونظرًا للتقدم المستمر في تطوير استراتيجيات الكشف، توجد أمثلة عديدة على استخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار كمستشعرات نانوية عالية الحساسية (حتى على مستوى الجزيء الواحد ^{[ 204 ] [ 205 ] [ 206 ]} ) لمجموعة متنوعة من الجزيئات الحيوية المهمة. تشمل الأمثلة الكشف عن أنواع الأكسجين والنيتروجين التفاعلية، ^{[ 207 ] [ 208 ] [ 209 ] [ 210 ]} والنواقل العصبية، ^{[ 206 ] [ 211 ] [ 212 ] [ 213 ] [ 125 ]} والجزيئات الصغيرة الأخرى، ^{[ 214 ] [ 215 ] [ 216 ]} والدهون، ^{[ 217 ] [ 218 ]} والبروتينات، ^{[ 219 ] [ 220 ]} والسكريات، ^{[ 221 ] [ 222 ]} والحمض النووي DNA/RNA، ^{[ 223 ] [ 224 ]} والإنزيمات، ^{[ 225 ] [ 226 ]} بالإضافة إلى البكتيريا. ^{[ 227 ]}

يتجلى تغير الإشارة في زيادة أو نقصان التيار (كهربائي) ^{[ 203 ]} أو في تغير شدة أو طول موجة انبعاث الفلورة (بصري) ^{[ 122 ]} . وبحسب نوع التطبيق، قد يكون نقل الإشارة كهربائيًا أو بصريًا مفيدًا ^{[ 228 ]} . وللقياس الدقيق للتغيرات الإلكترونية، تُستخدم ترانزستورات تأثير المجال (FET) لقياس تدفق الشحنات داخل أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs). تسمح بنية ترانزستورات تأثير المجال بسهولة دمجها على الرقاقة، ويمكن ربطها بالتوازي للكشف عن عدة مواد تحليلية مستهدفة في وقت واحد ^{[ 216 ]} . مع ذلك، تُعد هذه المستشعرات أكثر توغلاً في التطبيقات الحيوية، إذ يتطلب الأمر إدخال الجهاز بالكامل داخل الجسم. يعتمد الكشف البصري باستخدام أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار شبه الموصلة على إعادة التركيب الإشعاعي للإكسيتونات في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) عن طريق الإثارة الضوئية المسبقة (التألق ^{[ 229 ]} ) أو الكهربائية (التألق الكهربائي ^{[ 230 ] [ 231 ]} ). يُمكّن الانبعاث في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة من الكشف ضمن نافذة الشفافية البيولوجية، حيث تستفيد تطبيقات المستشعرات البصرية من انخفاض التشتت والتألق الذاتي للعينات البيولوجية، وبالتالي الحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية. ^{[ 232 ]} وبالمقارنة مع المستشعرات البصرية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية ، يزداد عمق الاختراق في الأنسجة البيولوجية أيضًا. إضافةً إلى ميزة القراءة غير التلامسية، تتمتع أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار بثبات ضوئي ممتاز، ^{[ 233 ]} مما يُتيح استخدامها في تطبيقات الاستشعار طويلة الأمد. علاوة على ذلك، يسمح الحجم النانوي لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار بتغطية كثيفة للأسطح، مما يُتيح التصوير الكيميائي، على سبيل المثال، لعمليات الإطلاق الخلوي بدقة مكانية وزمنية عالية. ^{[ 206 ] [ 125 ]} يمكن الكشف عن العديد من التحليلات المستهدفة من خلال الترتيب المكاني لأجهزة استشعار SWCNT المختلفة في المصفوفات ^{[ 227 ] [ 234 ] [ 235 ]} أو عن طريق الكشف الطيفي الفائق ^{[ 227 ] [ 236 ].}تعتمد هذه التقنية على مستشعرات أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار أحادية الكيرالية التي تُصدر إشعاعًا بأطوال موجية مختلفة. مع ذلك، تتطلب تطبيقات التألق استخدام مرشحات ضوئية للتمييز بين الإثارة والانبعاث، بالإضافة إلى كاشف حساس للأشعة تحت الحمراء القريبة. كما يمكن استخدام كواشف السيليكون القياسية في حال  استخدام أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار أحادية الكيرالية (التي يمكن استخلاصها بعمليات تنقية خاصة) والتي تُصدر إشعاعًا أقرب إلى نطاق الضوء المرئي (800-900 نانومتر). ^{[ 125 ] [ 237 ]} ولتجنب تأثر المستشعرات الضوئية بتقلبات الضوء المحيط، يمكن استخدام مراجع داخلية، مثل أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار المُعدلة لتكون غير مستجيبة أو باعثة مستقرة للأشعة تحت الحمراء القريبة. ^{[ 227 ] [ 238 ]} وثمة بديل آخر يتمثل في قياس أعمار التألق ^{[ 239 ]} بدلًا من شدة التألق. إجمالًا، تتمتع أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار بإمكانات هائلة كعناصر بناء لمختلف المستشعرات الحيوية. لجعل أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار مناسبة للاستشعار الحيوي، يجب تعديل سطحها لضمان استقرارها الغرواني وتوفير آلية للتعرف البيولوجي. لذا، يرتبط الاستشعار الحيوي وتعديلات السطح (الوظيفية) ارتباطًا وثيقًا. ^{[ 122 ] [ 240 ] [ 241 ]}

تشمل التطبيقات المستقبلية المحتملة تطبيقات طبية حيوية وبيئية، مثل مراقبة صحة النباتات في الزراعة، ^{[ 207 ] [ 208 ] [ 242 ]} والتحكم عن بُعد في العمليات في المفاعلات الحيوية، وبحوث/تشخيص التواصل العصبي ^{[ 243 ]} والعديد من الأمراض مثل اضطرابات التخثر، ^{[ 244 ]} والسكري، ^{[ 222 ] [ 245 ]} والسرطان، ^{[ 246 ]} والعدوى الميكروبية والفيروسية، ^{[ 227 ] [ 247 ]} واختبار فعالية المستحضرات الصيدلانية ^{[ 248 ]} أو مراقبة العدوى باستخدام الغرسات الذكية. في الصناعة، تُستخدم أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار بالفعل كمستشعرات في الكشف عن الغازات والروائح في شكل أنف إلكتروني ^{[ 249 ]} أو في فحص الإنزيمات. ^{[ 250 ]}

• دخلت شركة Easton-Bell Sports, Inc. في شراكة مع Zyvex Performance Materials ، حيث تستخدم تقنية CNT في عدد من مكونات الدراجات الخاصة بها - بما في ذلك المقاود المسطحة والرافعة، والذراعين، والشوك، وأعمدة المقاعد، والسيقان، والمقابض الهوائية.
• تُصنّع شركة Amroy Europe Oy راتنجات إيبوكسي نانوية كربونية من نوع Hybtonite، حيث يتم تنشيط أنابيب الكربون النانوية كيميائيًا للارتباط بالإيبوكسي ، مما ينتج عنه مادة مركبة أقوى بنسبة تتراوح بين 20% و30% من المواد المركبة الأخرى. وقد استُخدمت هذه المادة في توربينات الرياح، والدهانات البحرية، ومجموعة متنوعة من المعدات الرياضية مثل الزلاجات، وعصي هوكي الجليد، ومضارب البيسبول، وسهام الصيد، وألواح ركوب الأمواج. ^{[ 251 ]}
• تقوم شركة Surrey NanoSystems بتصنيع أنابيب الكربون النانوية لإنتاج طلاء أسود فائق الامتصاص من نوع vantablack .
• يُباع شريط "جيكو" (المعروف أيضًا باسم " الشريط النانوي ") تجاريًا على شكل شريط لاصق مزدوج الجوانب . يُستخدم لتعليق أغراض خفيفة الوزن، مثل الصور والقطع الزخرفية، على الجدران الملساء دون الحاجة إلى إحداث ثقوب. لا تترك أنابيب الكربون النانوية المكونة للشريط اللاصق أي بقايا بعد إزالته، ويحافظ على لزوجته حتى في درجات الحرارة القصوى. ^{[ 252 ]}
• نصائح لمجسات مجهر القوة الذرية . ^{[ 253 ]}
• أحد الاستخدامات المقترحة لأنابيب الكربون النانوية هو استخدامها في بطاريات الورق ، التي طورها باحثون في معهد رينسيلار للفنون التطبيقية عام 2007. ^{[ 254 ]} وهناك استخدام آخر مقترح، لا يزال في طور التكهنات ، في مجال تقنيات الفضاء، وهو إنتاج كابلات الكربون عالية الشد اللازمة لمصعد فضائي .

تشمل تطبيقات الأنابيب النانوية في التطوير في الأوساط الأكاديمية والصناعية ما يلي:

• الأجهزة الطبية: استخدام أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار في الأجهزة الطبية يؤدي إلى عدم تلوث الجلد، ومرونة عالية، ونعومة، وهي خصائص بالغة الأهمية لتطبيقات الرعاية الصحية. ^{[ 255 ]}
• الإلكترونيات القابلة للارتداء واتصالات الجيل الخامس/السادس: تُظهر الأقطاب الكهربائية المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs) خصائص كهروكيميائية ممتازة ومرونة عالية. ^{[ 256 ] [ 257 ]}
• البيتومين والأسفلت: أظهر أول قسم اختبار في العالم لرصف الطرق باستخدام أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs) زيادة بنسبة 67% في مقاومة التشققات والحفر، مما أدى إلى زيادة عمر المواد. ^{[ 258 ]}
• المواد النانوية المركبة لأسواق الطيران والسيارات والطاقة المتجددة: يؤدي تعديل الراتنج بنسبة 0.02% فقط من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs) إلى زيادة التوصيل الكهربائي بنسبة 276% دون المساس بالخواص الميكانيكية للبوليمرات المقواة بالألياف، كما يحسن خواص الانحناء ويؤخر التحلل الحراري. ^{[ 259 ]}
• التصنيع الإضافي: تُخلط أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWCNTs) مع وسيط طباعة مناسب أو تُستخدم كمادة مالئة في عملية الطباعة، مما يُنتج هياكل معقدة ذات خصائص ميكانيكية وكهربائية محسّنة. ^{[ 260 ]}
• استخدام أنابيب الكربون النانوية كمادة قناة لترانزستورات تأثير المجال لأنابيب الكربون النانوية . ^{[ 261 ]}
• استخدام أنابيب الكربون النانوية كدعامات لتقنيات التصنيع الدقيق المتنوعة. ^{[ 262 ]}
• تبديد الطاقة في الهياكل النانوية ذاتية التنظيم تحت تأثير المجال الكهربائي. ^{[ 263 ]}
• استخدام أنابيب الكربون النانوية في الرصد البيئي نظراً لمساحة سطحها النشطة وقدرتها على امتصاص الغازات. ^{[ 264 ]}
• استخدم جاك أندراكا أنابيب الكربون النانوية في اختباره لسرطان البنكرياس. وقد فازت طريقته في الاختبار بجائزة غوردون إي. مور في معرض إنتل الدولي للعلوم والهندسة في ربيع عام 2012. ^{[ 265 ]}
• حصلت شركة بوينغ على براءة اختراع لاستخدام أنابيب الكربون النانوية في مراقبة السلامة الهيكلية ^{[ 266 ]} للمواد المركبة المستخدمة في هياكل الطائرات. ويُؤمل أن تُسهم هذه التقنية بشكل كبير في الحد من مخاطر الأعطال أثناء الطيران الناجمة عن التدهور الهيكلي للطائرات.
• قامت شركة Zyvex Technologies أيضاً ببناء سفينة بحرية بطول 54 قدماً، وهي سفينة Piranha السطحية غير المأهولة ، كنموذج تقني تجريبي لما يمكن تحقيقه باستخدام تقنية الأنابيب النانوية الكربونية. تُسهم هذه الأنابيب في تحسين الأداء الهيكلي للسفينة، مما ينتج عنه  قارب خفيف الوزن يزن 8000 رطل، قادر على حمل حمولة تصل إلى 15000  رطل لمسافة تصل إلى 2500 ميل. ^{[ 267 ]}
• يستخدم مركز IMEC أنابيب الكربون النانوية في صناعة الأغشية الرقيقة في الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات. ^{[ 268 ]}
• في هندسة الأنسجة ، تم استخدام أنابيب الكربون النانوية كدعامات لنمو العظام. ^{[ 269 ]}

يمكن استخدام أنابيب الكربون النانوية كمضافات لمواد هيكلية متنوعة. على سبيل المثال، تشكل الأنابيب النانوية جزءًا صغيرًا من المواد المستخدمة في بعض مضارب البيسبول (وخاصة المصنوعة من ألياف الكربون )، وعصي الغولف، وقطع غيار السيارات، أو الفولاذ الدمشقي . ^{[ 270 ] [ 271 ]}

توقعت شركة IBM استخدام ترانزستورات أنابيب الكربون النانوية في الدوائر المتكاملة بحلول عام 2020. ^{[ 272 ]}

وجدت أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار استخدامات في بطاريات الليثيوم أيون طويلة الأمد وسريعة الشحن ؛ ^{[ 273 ]} وقطع غيار السيارات المصنوعة من البولي أميد للطلاء الإلكتروني؛ ^{[ 274 ]} والطبقات التمهيدية للسيارات لتحقيق وفورات في التكلفة وتحسين المظهر الجمالي للطبقات النهائية؛ ^{[ 275 ]} وأرضيات مقاومة للتفريغ الكهروستاتيكي ؛ ^{[ 276 ] [ 277 ]} وطلاءات تبطين موصلة كهربائيًا للخزانات والأنابيب؛ ^{[ 278 ]} وقطع مطاطية ذات ثبات محسّن ضد الحرارة والزيوت؛ ^{[ 279 ] [ 280 ]} وطلاءات هلامية موصلة لمتطلبات ATEX وطلاءات هلامية موصلة للأدوات لزيادة السلامة والكفاءة؛ ^{[ 281 ]} وطلاءات ألياف التسخين لعناصر البنية التحتية. ^{[ 282 ]}

تُتيح قوة ومرونة أنابيب الكربون النانوية استخدامها المحتمل في التحكم في هياكل نانوية أخرى، مما يُشير إلى دورها الهام في هندسة تقنية النانو . ^{[ 283 ]} وقد تم اختبار أعلى قوة شد لأنبوب كربون نانوي متعدد الجدران، حيث بلغت 63 جيجا باسكال . ^{[ 56 ]} كما عُثر على أنابيب الكربون النانوية في فولاذ دمشقي يعود تاريخه إلى القرن السابع عشر، مما قد يُفسر القوة الأسطورية للسيوف المصنوعة منه. ^{[ 284 ] [ 285 ]} وقد سلطت العديد من الدراسات الضوء مؤخرًا على إمكانية استخدام أنابيب الكربون النانوية كعناصر بناء لتصنيع أجهزة كربونية ثلاثية الأبعاد ماكروسكوبية (أكبر من 1 مم في جميع الأبعاد الثلاثة). وقد أبلغ لالواني وزملاؤه عن طريقة جديدة للربط الحراري المُحفز بالجذور الحرة لتصنيع هياكل كربونية ماكروسكوبية، قائمة بذاتها، مسامية، باستخدام أنابيب الكربون النانوية أحادية ومتعددة الجدران كعناصر بناء. ^{[ 43 ]} تتميز هذه الهياكل بمسامات ذات بنية ماكروية وميكروية ونانوية، ويمكن تعديل مساميتها لتناسب تطبيقات محددة. يمكن استخدام هذه الهياكل/البنى ثلاثية الأبعاد المصنوعة بالكامل من الكربون في تصنيع الجيل القادم من أنظمة تخزين الطاقة، والمكثفات الفائقة، وترانزستورات الانبعاث الميداني، والحفز عالي الأداء، ^{[ 286 ]} والخلايا الكهروضوئية، والأجهزة الطبية الحيوية والغرسات. 

تُعدّ الأنابيب النانوية الكربونية مرشحةً واعدةً لاستخدامها في الوصلات والأسلاك في دوائر VLSI النانوية. وبفضل قدرتها على التخلص من مخاوف موثوقية الهجرة الكهربائية التي تُعيق عمل وصلات النحاس الحديثة ، تستطيع الأنابيب النانوية الكربونية المعزولة (أحادية ومتعددة الجدران) نقل كثافات تيار تتجاوز 1000  مللي أمبير/سم² ^دون أي تلف ناتج عن الهجرة الكهربائية. ^{[ 287 ]}

تُعدّ الأنابيب النانوية أحادية الجدار من المرشحين الواعدين لتصغير الإلكترونيات. يُعتبر السلك الكهربائي الوحدة البنائية الأساسية لهذه الأنظمة، وتتميز الأنابيب النانوية أحادية الجدار التي يبلغ قطرها بضعة نانومترات بقدرتها الفائقة على التوصيل. ^{[ 12 ] [ 288 ]} ومن التطبيقات المفيدة للأنابيب النانوية أحادية الجدار تطوير أول ترانزستورات تأثير المجال بين الجزيئات (FET). وقد صُنعت أول بوابة منطقية بين الجزيئات باستخدام ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من الأنابيب النانوية أحادية الجدار في عام 2001. ^{[ 289 ]} تتطلب البوابة المنطقية وجود ترانزستور تأثير مجال من النوع p وترانزستور تأثير مجال من النوع n. ولأن الأنابيب النانوية أحادية الجدار تعمل كترانزستورات تأثير مجال من النوع p عند تعرضها للأكسجين، وكترانزستورات تأثير مجال من النوع n في غير ذلك، فمن الممكن تعريض نصف الأنبوب النانوي أحادي الجدار للأكسجين وحماية النصف الآخر منه. يعمل الأنبوب النانوي أحادي الجدار الناتج كبوابة منطقية "ليس" (not ) تحتوي على ترانزستورات تأثير مجال من النوعين p و n في الجزيء نفسه.

يمكن تصنيع كميات كبيرة من أنابيب الكربون النانوية النقية على شكل صفائح أو أغشية حرة باستخدام تقنية تصنيع الصب الشريطي المُهندس سطحيًا (SETC)، وهي طريقة قابلة للتطوير لإنتاج صفائح مرنة وقابلة للطي ذات خصائص فائقة. ^{[ 290 ] [ 291 ]} ومن الأشكال الأخرى المُبلغ عنها ألياف أنابيب الكربون النانوية (المعروفة أيضًا بالخيوط) المُصنّعة بتقنية الغزل الرطب . ^{[ 292 ]} تُغزل الألياف إما مباشرةً من وعاء التخليق أو من أنابيب الكربون النانوية المذابة المُحضّرة مسبقًا. ويمكن تحويل الألياف الفردية إلى خيوط . وبصرف النظر عن قوتها ومرونتها، فإن الميزة الرئيسية هي إنتاج خيوط موصلة كهربائيًا . وتخضع الخصائص الإلكترونية لألياف أنابيب الكربون النانوية الفردية (أي حزمة من أنابيب الكربون النانوية الفردية) للبنية ثنائية الأبعاد لأنابيب الكربون النانوية. وقد وُجد أن مقاومة الألياف أعلى بعشر مرات فقط من مقاومة الموصلات المعدنية عند درجة حرارة 300 كلفن (27 درجة مئوية؛ 80 درجة فهرنهايت) . من خلال زيادة تحسين الأنابيب النانوية الكربونية وأليافها، يمكن تطوير ألياف أنابيب نانوية كربونية ذات خصائص كهربائية محسّنة. ^{[ 287 ] [ 293 ]}   

تُعدّ الخيوط المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية مناسبة لتطبيقات الطاقة ومعالجة المياه الكهروكيميائية عند تغليفها بغشاء تبادل أيوني . ^{[ 294 ]} كما يمكن أن تحلّ هذه الخيوط محلّ النحاس كمادة لفّ . وقد قام بيرونين وآخرون (2015) بتصميم محرك باستخدام لفّات أنابيب الكربون النانوية. ^{[ 295 ] [ 296 ]}