纳米技术系列报道之一：未来“超级纤维──碳纳米管

【美国《华盛顿邮报》１２月２日报道】题：极细微的碳结构可能具有巨大的潜力
它们的强度比钢高１００倍，但重量只有钢的六分之一。它们非常微小，５万个并排起来才有人的一根头发丝那么宽。
它们是碳纳米管，据开始了解它们特性的许多专家说，它们可能成为未来理想的超级纤维。
纳米管在结构上跟“布基球”属于同一类。布基球是球面结构的碳分子，它的发现荣获今年的诺贝尔化学奖，并且标志着有机化学的新时期。
可是，在此项诺贝尔奖公布之时，布基球在许多先进的实验室里实际上已不是什么新奇的东西了。世界各地的研究人员正在抓紧时间研究，是什么原因促使碳原子排列成圆筒形纳米管而不是折叠成足球形布基球。人们对纳米管的研究在五年前才开始。神奇的最佳纤维
据普林斯顿ＮＥＣ研究所的托马斯·埃布森说，纳米管已经成为“最佳纤维”的首选材料。其他人则认为它们还可能成为最佳超微导线。一根纳米管的直径只有高技术计算机芯片上最细电路直径的百分之一。休斯敦赖斯大学的理查德
·斯莫利——他和另外两位同事分享今年的诺贝尔化学奖——说：“我们预计它将成为理想的导体，其导电性能很可能大大超过铜。”他说，纳米管最终“可用于纳米级的电子线路”。
一纳米是一米的十亿分之一——只有一个中等大小原子直径的十几倍。一个基本的碳纳米管的直径只有１．４纳米。可是，除了它们非常微小的体积和非常奇特的潜在用途外，纳米管的组成成份跟普通石墨实际上没有两样。
布基球和纳米管都是在碳气化成单个的原子后在真空或惰性气体中凝聚而自然形成的，这些碳原子凝聚结合时会组合成各种几何图形。布基球是五边形和六边形的混合组合，不同的混合产生不同的形状。然而，典型的纳米管完全是由六边形组成的——每一圈由十个六边形组成，尽管也有其它的结构。
决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。埃布森说，材料工程师希望看到的长度直径比至少是２０：１。然而，即使在现在能得到的以纳米计算的长度中，纳米管的长度也是其直径的几千倍。埃布森估计，这将使它们的强度比石墨高５到１０倍。斯莫利非常乐观。他说：“我们中的许多人相信，任何东西都不可能超过这个。”用途广泛
可能的应用是非常广泛的。斯莫利在赖斯大学的同事丹尼尔·科尔伯特说，最异想天开的用途“是用于太空升降机，在这种太空升降机中，一根布基管缆绳从地球同步轨道上垂到地球表面，跟钢铁和其它任何已知物质所不同的是，布基管缆绳能支持得住自身的重量。这就提供一种把物质和人提升到外层空间的非常廉价的方法，也许还是使人类能从地球上移居外星的理想方法”。
布基管的导电性说明它还有其它无数的用途。碳是最合群的元素之一，因为它的最外层有四个电子，因此就能形成无数种组合，包括同其它碳原子分享电子的组合。
斯莫利说，正如光纤束充当光子阻力最小的“波导管”一样，纳米管可以充当电子的同类快速通道。他说，这种由１０个六边形组成的纳米管能把一个由６０个原子组成的布基球正好装在中间，就像儿童气枪能把气枪子弹正好装在里面一样。把布基球从纳米管的一端移到另一端就会改变每一端的电气性质，这样就能起到一个超微开关的作用，其体积只有目前晶体管的一小部分。
科尔伯特说：“如果把一个金属原子嵌入置于纳米管内的布基球里，并且在这个纳米管里装满一串这样的嵌入金属原子的布基球，结果就成为一根直径只有一个原子宽的金属导线，它会具有不同于纳米管本身具有的那种神奇电气性质的神奇属性。”
埃布森等人通常用在电弧中使碳气化的方法制造他们的纳米管。赖斯大学的研究人员则是通过利用两种激光使一根由碳、镍和钴组成的棒气化的方法来制造纳米管的。斯莫利认为，这些金属原子在由碳原子组成的纳米管顶端活动，使碳原子只能结合成六边形结构，而不会结合成五边形和其它形状。斯莫利说，这些纳米管排列成束，１００到５００根纳米管整齐地堆放在一起，就像牙签堆放在盒子里一样。必须找到制造新法
迄今为止，科学家们一次只能制造几克初级纳米管。斯莫利说，“但是，我们需要成磅成吨这种材料”，这就意味着必须寻找新的方法。尽管他不知道新方法将是一个什么样的过程，但是他相信一定会找到这种新方法的。
如果真能在工厂里大量生产，那也将是令人震惊的，如果你考虑到它的无数用途，其中包括用作其它分子之间的“分子导线”（用来制造新一代小型化学传感器）、用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头的顶端（用来测试超纯硅芯片的质量）以及用作理想的结晶基。
科尔伯特说：“一个将是非常重要的用途是用作生物系统的（电子）探头。纳米管非常小，小到不会打扰细胞的程度。”它还可以用作纳米级电子枪来点亮新一代平面显示屏上的发光体。