碳纳米管——这是迄今发现的最坚固的材料之一，而它的工业化应用才刚刚开始。碳纳米管（英语：Carbon Nanotube，缩写为CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产碳纤维的产物中发现的。它是一种管状的碳分子层，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间，形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照碳纳米管中碳原子层数的不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。
碳纳米管是碳的同素异形体，这意味着它们是碳原子的几种可能的排列方式之一。在自然界中，纯碳要么以石墨(一种柔软的片状固体)的形式存在，要么以金刚石(一种透明的、最坚硬的天然材料)的形式存在。碳纳米管与石墨的关系，远比与钻石的关系更密切。石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而碳纳米管就是由石墨烯制成管状后得到的。
目前，碳纳米管主要用于改善聚合物复合材料的性能。碳纳米管具有以下一系列优点：
与其他增强材料相比，碳纳米管比纤维增强聚合物复合材料中使用的其他纤维强得多。最近的研究也集中在功能梯度聚合物的开发上，其中碳纳米管在聚合物结构内选择性分布，以获得定制的机械性能。
碳纳米管还具有良好的导电性和导热性，这使其可用于电子封装应用，或用作聚合物和粘合剂的添加剂以使其具有导电性。
单个碳纳米管是迄今发现的最坚固的材料之一，但必须将它们连接在一起才能发挥其强度作用。因此，碳纳米管经常被用作其他材料(通常是聚合物)的添加剂，以改善聚合物的性能。
碳纳米管的强度已接近碳的理论强度（材料的理论强度，是指破坏没有任何缺陷的完美晶体所需要的应力），其奥秘在于其小尺寸，无缺陷。例如，纯铁的理论强度为31.8 GPa，而大部分钢的强度仅在270-740 MPa范围内，不到纯铁理论强度的2.5％。这是因为，与理论上的无缺陷晶体相比，被称为位错的微小缺陷会使大多数钢在较低应力下发生塑性变形和破坏。
排列整齐的碳纳米管的SEM图像©Fraunhofer IKTS大部分材料永远无法接近其理论强度。大尺寸材料不可避免会出现各种微观尺度的结构缺陷，从而降低其强度。以目前的技术，大量制造无缺陷的大尺寸材料几乎是不可能的。
但是，如果材料的尺寸非常非常小，则有可能获得无缺陷材料。碳纳米管超强的原因，正是因为其尺寸超小无缺陷。当然，如要制成宏观尺寸的零件，则还需要制造出一种纤维增强的复合材料，来捆扎足够多的纳米管。
据报道，单个多壁碳纳米管的强度为11 – 63 GPa，接近碳的理论强度156.0 GPa。其他材料也可以制成超小型无缺陷的“晶须”，其中也包括铁。纳米晶须铁的强度可为13 GPa，比大多数普通钢更接近铁的理论强度。在实验室条件下，已经以纳米管，纳米线或晶须的形式合成了多种复合材料，但是碳纳米管仍是为数不多的可从诸如Goodfellow之类的供应商处批量购买的超强纳米材料之一。在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具。先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身也可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化。利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。碳纳米管还用来构建各种微纳米器件，最成功的例子是用双壁碳纳米管制作世界上最小的纳米马达，不过目前这类研究还停留在实验阶段，离应用还有一段距离。根据《自然》（Nature）2013年9月25日报导，斯坦福大学开发出全球首台完全以碳纳米管（carbon nanotubes）所组成的电脑，并已经成功运转，这台电脑叫做“Cedric”，目前还非常的简陋，只具备基本功能，但却可能发展成比现今任何一台硅晶电脑都快且更有效率的电脑。“Cedric”由178个晶体管所组成，每个晶体管有10~200个碳纳米管，总计有20亿颗碳原子。
2019年，美国麻省理工学院的研究人员采用碳纳米管晶体管（Carbon Nanotube Transistors）成功研制出首款基于RISC-V指令集的16位元微处理器，名为“RV16X-NANO”。“RV16X-NANO”在16位元资料和定址上执行标准32位元长指令，包含了14000多个晶体管，是迄今为止用新兴纳米技术制造的最先进芯片。它能够执行一条“Hello，World！”指令，打印出：“你好，世界！我是 RV16XNano，以碳纳米管所组成”。碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为触控荧屏的材料。先前的技术中，科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃衬底上，但是这样的技术至今没有进入量产阶段；目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术：该技术是从一组超顺排碳纳米管阵列中直接抽出薄膜，铺在衬底上做成透明导电膜，就像从棉条中抽出纱线一样。该技术的核心－超顺排碳纳米管阵列是由北京清华-富士康纳米中心于2002年率先发现的新材料。2007~2008年间，首次成功开发出碳纳米管触控荧屏，并由天津富纳源创公司于2011年产业化，至今已有多款智能手机上使用碳纳米管材料制成的触控荧屏。1、氧化铟锡含有稀有金属“铟”，碳纳米管触控荧屏的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制；2、其次，铺膜方法做出的碳纳米管膜具有导电异向性，就像天然内置的图形，不需要光刻、蚀刻和水洗的制程，节省大量水电的使用，较为环保节能。工程师更开发出利用碳纳米管导电异向性的定位技术，仅用一层碳纳米管薄膜即可判断触摸点的X、Y坐标；碳纳米管触控萤幕还具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以制作出曲面的触控荧屏，可应用于穿戴式装置、智慧家具等产品。纳米颗粒在医学和环境上都存在潜在的危险。其中大部分原因是由于其高的表面体积比，这可以使粒子非常高的活性或具有催化作用。它们还能穿过生物体内的细胞膜，它们与生物系统的相互作用还相对未知。但由于纳米颗粒的大小和细胞间的团聚，颗粒不太可能进入细胞核、高尔基体、内质网等内部细胞成分。最近一项关于纳米氧化锌对人体免疫细胞影响的研究发现，纳米氧化锌对细胞毒性具有不同程度的敏感性。有人担心，制药公司在寻求对现有药物的纳米重组以获得监管批准时，依赖于对更早的、预重组版本药物进行临床研究时产生的安全数据。这可能会导致监管机构，如美国食品和药物管理局(FDA)，错过纳米重组特有的新副作用。然而，大量研究表明，锌纳米颗粒在体内不会被血液吸收。可吸入纳米颗粒在某些燃烧过程中对健康的影响也引起了人们的关注。截至2013年，美国环境保护署正在调查下列纳米颗粒的安全性。碳材料有广泛的用途，从用于汽车和体育设备的复合材料，到用于电子元件的集成电路。纳米材料(如碳纳米管)与天然有机物之间的相互作用强烈地影响着它们的聚集和沉积，从而强烈地影响着它们在水环境中的传输、转化和暴露。在过去的研究中，碳纳米管显示出一些毒理学影响，这些影响将在当前EPA化学安全研究的各种环境中进行环境评估。EPA的研究将提供数据、模型、测试方法和最佳实践，以发现碳纳米管对健康的严重影响，并确定预测这些影响的方法。纳米级氧化铈用于电子、生物医学用品、能源和燃料添加剂。工程氧化铈纳米颗粒的许多应用会自然地分散到环境中，从而增加了暴露的风险。使用含有CeO2纳米颗粒作为燃料添加剂的新柴油，纳米颗粒会在排放物持续存在，而这项新技术对环境和公共卫生的影响尚不清楚。EPA的化学安全研究团队正在评估纳米技术支持的柴油燃料添加剂对环境、生态和健康的影响。纳米二氧化钛目前被用于许多产品。根据粒子的类型，它可能存在于防晒霜、化妆品、油漆和涂料中。它也被研究用于去除饮用水中的污染物。纳米银：纳米银被用于纺织、服装、食品包装和其他材料中，以消除细菌。美国环保署和美国消费者产品安全委员会正在研究某些产品，以确定它们是否能在真实世界中转移纳米尺寸的银粒子。环境保护局正在研究这个课题，以便更好地了解儿童在他们的环境中接触了多少纳米银。纳米级铁有许多用途，包括光学抛光等“智能流体”，以及作为更利于吸收的铁元素的补充，但目前最突出的用途之一是用于去除地下水中的污染。在美国环境保护署的研究支持下，这种用法正在美国各地的许多地点进行试点。关于纳米材料的健康和安全性研究仍在继续，我们不用过分恐慌，借用业内人士的一句话：“所有不提剂量的毒性分析，全是耍流氓。”
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