碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石墨碳原子层卷曲而成。由于拥有潜在的优越性能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快,并在制备及应用方面取得了突破性进展。
过去十年,碳纳米管在化学领域十分盛行,但其实际应用却少之又少。近来,碳纳米管在网球球拍和自行车扶手上的应用获得了突破,可以充分发挥其强度和硬度上的优势。但是像微型纳米收音机、纳米马达以及诸如此类的(发明),目前为止仅局限于实验室内。
幸运的是,这样的状况将由最新产品的发明而不复存在了。碳纳米管的出现,能用来制造像纸一样薄的扬声器。据不久前出版的《纳米快报》(国际纳米研究领域权威杂志)报道,清华大学姜开利领导的研究小组已研制出可用于扬声器的碳纳米管薄膜。当电极连接到薄膜两端,会有携带信号的电流通过,结果就会产生与该信号相匹配的声音。因此,碳纳米扬声器播放音乐的保真度就和传统的扬声器差不多。而且,在其弯曲、伸展的情况下,碳纳米扬声器仍然能继续播放。传统的“动圈式”扬声器(像立体音响的那种)由三个部分构成:一块笨重的磁铁,一串铜线圈,一片柔软膜片。当交变电流通过线圈时,会产生一个交变的磁场,这个磁场将和磁铁发生作用;而此时的横隔膜片则来回移动回应磁场和磁铁的相互作用,最终导致气压波产生。听众听到的声音就是由这些波动所发出的。
碳纳米管的不同类型
碳纳米管运用一种被称为“热声效应”的不同机制发出声音,这与闪电后打雷的原理是一样的。在纳米管中,电流的变化导致里面的空气升温(膨胀),或冷却(收缩),这就产生了能发出声音的气压波。用这种方式产生声音的美妙之处,在于不再需要笨重的磁铁或者是活动的隔膜。
实际上,热声效应以前有过类似的应用。19世纪,人们研制出一种被称作热致发声器的装置――用金属板发出声音。然其热声效应十分微弱,该装置也没有得以普及。姜博士称,由于碳的热容量较低,碳纳米管能比金属板产生更强的热声效应。这样可以捕获更多的电流信号。
碳纳米扬声器的应用较为广泛。即便碳纳米管薄膜破裂,也能发出声音,而不像传统扬声器那样,横隔膜片一旦破裂就无法使用了。借助于这种新方法,耳机和助听器的性能也有不少改进。
这项技术要实现商业化还有一段路程要走。目前最大的任务就是设计一种方法生产大批量的薄膜,以满足工业上的需求。如果可以做到的话,新一代的扬声器很有可能就是隐形的。届时,摇滚音乐会上的扬声器就不再和现在一样了。