碳族的最新成员、世界上最小的试管——纳米管，比其他任何已知的物质都要坚硬，在电子工业中有着潜在的应用价值。

1991年夏天，“足球热”（巴基球）曾一度席卷整个化学领域。就在前一年，亚利桑那和海德堡的研究工作者发现了制得可供观察和保存量的富勒烯——有名的、足球形的60个原子的碳分子的方法。当时一场碳科学的革命眼见得就要兴起，自首次发现痕量C₆₀以来已有6年，世界各地的化学工作者都极想熟悉这种碳的新的存在形式，它毕竟是科学上已知的、工业上很有用的两种材料——石墨和金刚石的第三个“同胞”，筑波日本电气公司研究所碳科学专家饭岛须澄男则产生了另外的念头。作为该领域资深人员的饭岛，急切想知道在海德堡和亚利桑那研究人员创导的“巴基球”合成中是否有其他形式的碳分子生成。巴基球的合成过程就是在充满不起反应的氦气的密封室中通过两个石墨电极放电。电极被加热气化，即有烟良物质附着在容器壁上，含有渴求的C₆₀分子的沉积物。

饭岛作了一个关键性的改变。不像其他研究人员那样在放电期间使两个电极相互接触，他在电极火花放电时把电极分开。此时器壁上虽然仍有烟炱生成，但在石墨负电极上同时也有黑色沉积物生成。饭岛用电子显微镜观察，这种沉积物含有一根套一根的管子组成的细长物体，有时一次多达50个。这种管子不是巴基球，却是碳的第四个“同胞”。

5年来，饭岛的极细的碳纤维——更多地被称作“纳米管”——看来在技术市场的竞争中大有压倒巴基球的趋势。之所以称为纳米管，是因为其直径不超过数纳米，它是超强碳纤维材料很有前途的新品种，或许甚至可由“纳米碳导线”制成微型线圈。一些研究人员希望利用纳米管的内部作为试管来进行微量化学反应——在这里某些反应规律将完全发生变化。另一些研究人员正设想把它用来做制造特细金属导线的模具。

超润滑材料

不过，还没有人声称能轻而易举地由反应室得到纳米管产品，看来还差得很远。尽管早就在谈论把中空的分子制成超润滑剂或用来封装个别的有毒金属原子，但研究工作者不得不承认，迄今为止，还没有能从巴基球制得任何有用的东西。材料科学工作者认为，他们面临着如何对那么细微的纤维进行更基本的科学研究的巨大挑战。

不难明白其要点，测定头发丝粗细纤维的强度，可用悬挂重物至其折断的方法，但对于比头发丝细数千倍的纤维如何测定其强度呢？尽管由纳米碳导线制成电路的想法在理论上看来很不错，但要测定这种尺度的电气性质并非易事，不能单按通常的办法把纳米导线连到电池上去测定电阻。

这就是数年来激励着新泽西州普林斯顿全国电气规划研究所的T · 埃布森及其同事们的复杂课题。目前他们已能用巧妙的方法估量纳米管的硬度。迄今为止传来的消息是令人振奋的：看来纳米管比其他任何已知材料都要硬。

埃布森的试验就是在电子显微镜下观察纳米管的振动，研究人员发现，不能清楚地看出不固定的纳米管的尖端。他们认为这种模糊是热振动造成的，热振动使纳米管像芦苇在风中那样摇摆。振动的振幅愈小，则纳米管硬度一定愈大。通过测定该振幅随温度升高而变化的情况，埃布森及其同事们可粗略估计出称作“杨氏模量”的物理参数，它是材料抗弯曲性能的关键尺度。钢的杨氏模量一般为200千兆帕斯卡左右，金刚石则为1000千兆帕斯卡。最好的通用碳纤维的杨氏模量约为800千兆帕斯卡。而埃布森及其研究组得出的纳米管的杨氏模量，其值约在数千千兆帕斯卡范围内。

纳米管异常坚硬。由于材料的硬度和强度往往是一致的，埃布森相信，纳米管可能成为极端坚韧的材料，其强度甚至可超过目前用于制造钻头和刀具的、结实的纤维增强陶瓷。纳米管之所以有这样的强度和硬度，是因为它是由紧密结合的碳原子的薄片一张一张卷成的圆柱体组成的。这种薄片的坚韧度在某种程度上可以解释通用碳纤维的强度。但即使是最好的通用碳纤维也会被其晶体结构中的缺陷所削弱。反之，由于纳米管十分微小，碳层有缺陷的个别管子出现的几率就低得多。

但要使纳米管成为有用的极端坚韧的材料，首先必须降低其制造成本。目前，由于电弧放电室仅能生产少量样品，提纯的费用甚高，供应厂商要价每克达数百美元，且质量低劣。

正是由于纳米管异常优越的强度，才使得化学工作者和材料学工作者急于要对它有更多的了解。纳米管是空心的管子，是另一个令人关注的原因。研究工作者推断，用其他物质填充纳米管，可能使其性能向有潜在应用价值的方向变化，甚至可导致全新的化学性能。最小的纳米管直径不超过C₆₀分子的大小，约为0. 7纳米。封闭在这样小空间里的物质，其性质可能与大块的完全不同——如液体的凝固点和沸点会发生变化，而固体则可能呈现新的晶体结构形式。

总之，纳米管内部是一个有待探索的、神奇的一维纳米世界。但要到达这个世界确非易事，因为纳米管的端部通常为圆顶的或有小平面的盖子所封住。首次解决该问题的研究工作者就是饭岛及其日本电气公司研究所的同事畔梁振袍。

1993年，他们发现，当铅的小颗粒粘在纳米管外时发生了奇怪的情况。此时如把纳米管在空气里加热，一种大概迄今尚未能解释的化学反应即将其端部腐蚀掉，熔融的铅就被吸进这世界上最小的麦秆状吸管。这一过程让饭岛和畔梁瞥见了纳米世界原子的性状，某些区域铅原子完全填满了最里面的管子，而另一些区域则仅部分填满，一部分填充物中的铅原子是无序的，就像玻璃一样，而另一部分填充物中的铅原子则堆积成晶体中那种规则排列。但奇怪的是，在这种排列中的原子间距跟铅或其化合物的一切已知形态中的原子间距都不同，暗示着纳米管内部世界或许的确能保持一些外部世界未知的物质。

另一些研究工作者也发现了闯进纳米管的一些不同方法。如牛津大学的M · 格林（M. Green）及其同事们发现，在二氧化碳中加热纳米管，即从盖子开始腐蚀，使碳层变成一氧化碳，研究工作者一看到裂开的纳米管口，就急忙把它们填满。

看来纳米管确实是难以捉摸的。有时流体能被吸入，而有时则不能。如用饭岛开盖的反应，熔融的铅即能进入；但用格林的方法则不能被吸入管中。看来管壁与其可能的填充物之间微妙的反应，决定着物料能否进入。

一些物料既然能进入纳米管，还是展现出引人入胜的希望。填满的纳米管其机械性能与空的肯定不一样：也许某些填充物会使它们更坚硬。由于纳米管壁能为某些化学反应所“溶解”，因此可把它们用作易于处理的模具。只要用金属灌满纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的金属导线。目前，还没有其他可靠的方法，制造这样细的金属导线，如果这一设想能够实现，将更进一步地缩小微电子技术的尺度。

灌注和涂覆

用材料灌注纳米管并不是唯一的选择方案。目前在法国巴黎-萨德大学的畔梁及其同事们去年指出，纳米管的外部同样也可加以利用。畔梁及其研究组用制造硫酸和石油化工中应用的重要催化剂氧化钒灌注和涂覆纳米管。氧化钒甚至到达纳米管管壁的石墨状层片的间隙中，研究工作者用氧把碳管腐蚀掉，就发现剩下来的是全部由氧化钒组成的超小型纤维，就像是用石料浇铸的纳米管复制品。把氧化钒制成纳米纤维，可提高其催化效率 :氧化钒纤维全在其表面起催化作用，而纳米尺度的纤维有极高的表面积。

研究工作者渴望得到解答的另一个问题是：纳米碳管的导电率是否比它的分子“同胞”石墨更高一些。如果它的导电率比石墨还高的话，那么纳米管不仅有可能用于制造催化纤维或制造纳米导线的模具，而且还有可能用来制造导线本身。然而怎么测定这么细小的纳米管的导电率呢？

已有若干研究组在对这个问题进行极度精密的试验。现在他们的努力正开始收效。4月份，哈佛大学的C · 利伯（C. Lieb）及其同事报告了纳米管两端如何接线的巧妙办法。首先他把纳米管板片放在一个平面上，用金的导电层将其覆盖。然后在金覆盖层上蚀刻出一些洞，使每根纳米管除一端仍在金膜底下外，其余全部暴露出来，最后把露出端接通电路，这样电流即可通过纳米管进入金表层。研究人员发现，其导电率至少10倍于早先不太严格的研究中观察到的值——暗示着纳米管或许具有金属一般的导电率。

通过详尽的量子力学估算，可以认为，纳米管的导电率的确是每根都不相同。有些纳米管的导电性就像金属一样，而另一些则更像半导体。关键在干其结构的细微方面：纳米管并不很像卷纸似的圆筒——而是有扭曲的。

与此同时，研究工作者正在设想更引人注目的应用：以纳米管作为构筑纳米尺度构架的、分子大小的桁架。在得克萨斯休斯敦赖斯大学C₆₀的发现者之一斯莫利（R. Smalley）已着手试验，检验这一想法，而加利福尼亚门洛帕克的史丹福研究中心的R · 劳夫（R. Love）一直在寻求弯曲纳米管的方法。如果这些想法能够实现，则几乎随之而来的纳米技术革命——举凡从电气开关到生物传感器的一切将被成功地缩小至纳米尺度——或许将会最终爆发。

[Scientist，1996年7月6日］