碳纳米管是一种细小的中空碳原子管，碳原子以六边形图案连接，如同构成石墨的原子层。单壁碳纳米管的管壁只有一个原子厚，宽度通常约为 1 纳米。1 纳米是十亿分之一米。碳纳米管的长度远大于宽度，其长度以微米（百万分之一米）为单位测量。

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本站给出的 1 纳米，是典型单壁碳纳米管横截面的直径。不同碳纳米管的宽度各不相同。一项针对 34 根单壁碳纳米管的研究测得，它们的直径介于 0.7 到 1.2 纳米之间。

多壁碳纳米管由多根管子层层嵌套而成，因此更宽。饭岛澄男在 1991 年描述的多壁碳纳米管有 2 到约 50 层管壁，宽度从几纳米到几十纳米不等。

长度同样各不相同。那项针对 34 根碳纳米管的研究只测量了长度超过 3 微米的管子，因此每根的长度至少是其宽度的 2500 倍。

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饭岛澄男于 1991 年 11 月 7 日在《自然》杂志上报告了碳纳米管的发现。他用电弧放电的方法制造碳纳米管，这种方法与制造巴基球的方法类似。针状的管子在电弧的负极上生长出来。在电子显微镜下观察，每根针状结构其实都是 2 到约 50 根碳片层管嵌套而成的一组管子。

每根管子中的碳原子六边形都以螺旋方式环绕管身排列。饭岛澄男指出，这些管子的制成暗示碳结构可以在比巴基球大得多的尺度上构建。

1993 年，两个研究团队报告发现了单壁碳纳米管。饭岛澄男和市桥敏成发现的管子宽度约为 1 纳米。D·S·贝休恩及其同事在碳中加入了钴，发现的管子宽度约为 1.2 纳米。

单根碳纳米管太细，无法用肉眼看到，但某些类型的碳纳米管会发出近红外光。在一项 2009 年的研究中，研究人员利用这种荧光，通过荧光显微镜拍摄了水中单根碳纳米管的影像。管子在周围液体分子的随机撞击下来回弯曲摆动，这种运动被称为布朗运动。

通过分析这种弯曲，研究人员发现碳纳米管的刚度与其直径的立方成正比。宽度是原来两倍的碳纳米管，其弯曲难度是原来的 8 倍。碳纳米管相对于其宽度而言极长的长度，加上强度和电学性质，使其非常适合用于工程材料和医学领域。