纳米管怎么样了？难道你没有发觉它们无处不在

纳米管的巨大潜能是毋庸置疑的。它看起来有点像卷起来的细细的鸡丝，但这一碳原子的蜂窝状晶格是科技人员梦寐以求的东西。譬如说，它们的电气性质决定着它们可以按碳原子片卷成的形状制成金属或半导体。沿着其长度方向的边缘像卷烟一样卷起来，就制成了像能导电的细金属丝一样的纳米管。如果像绕纸管那样斜着绕成管子，那么就制成可以代替芯片元件硅晶体管的微型半导体。

或许给人更深刻印象的是这种轻型材料的机械性能。纳米管的强度超过钢丝的50倍而密度仅为后者的1/4。不管你怎么挤压它，它只会弯曲而不会断裂，只要一松手，它就恢复原来的状态。因此没有理由对这样的预言有所非议，那就是有朝一日会出现不会毁坏的汽车、用以捕捉太空垃圾的纳米管绳索、比丝绸内衣还要轻的防弹背心等等。

关于纳米管奇异特性的描述的确并非骗局，而只是对过去事件的如实记录。阅读教科书、报纸、杂志乃至科技期刊，你会认为它们是新近的发明创造，其实纳米管已经在科技舞台上活跃了一百多年。1889年授予两个英国人的AUS专利显示了如何用沼气——现在通称为甲烷——制造纳米管。这个方法本质上与今日工业上用的方法相同，用这种方法可制得灯用的“碳的发状细丝”。由该专利可知，这种碳丝除了有很好的电气性能外，还“在将其弯曲或缠绕成各种不同形状而在放松时能迅速恢复原来的状态”。在20世纪60年代和70年代俄亥俄州巴尔马国家碳公司和新西兰克列斯楚奇康特伯利（Canterbury）大学的两个研究小组分别制造了碳纳米管，并描述了它们的特性。

在日本筑波，跨国的日本电气公司研究室的Sumio lijima及其同事制得了纳米管以后的1991年，也就是在巴基球——碳的一种新的分子结构——的惊人发现以后，或许更重要的是，是在Erie Drexler的著作《创造的才能》出版以后数年，才有了关于lijima的“发现”的广泛宣传。当时产生了这样的想法，即制造纳米尺度的机械的纳米技术实际上可以解决凭空想象出的任何问题。当时lijima声称，纳米技术正成为值得考虑的问题，它渗入学术界和政府管理部门。纳米管正是我们一直等待着的能改变世界面貌的材料。

1991年进行了广泛的宣传却没有给人留下什么印象的单位，是马萨诸塞州坎布里奇的亥伯龙催化公司。该公司自1983年以来一直在不断完善成吨生产纳米管的方法。美国公路上行驶的汽车其中有60%它们的油管中都有亥伯龙碳纳米管。其高传导率可消散燃油流过油管的尼龙管壁时积聚并产生危险的火花的所有电荷。如果你拥有雷诺克莱奥或Megane汽车，你擦亮它时也就是在擦亮亥伯龙纳米管。可把它们用于使塑料面板具有很高的传导性，从而汽车在喷漆充电达20,000伏时可使其接地。这样漆滴就不会到处漂浮，而是流到地上，从而提高喷漆的效率，减少污染。

目前，亥伯龙是每年生产数十吨“多层"纳米管的唯一公司。这种“多层”纳米管由10至12个嵌套的碳的圆筒组成，每个圆筒长10毫米，每克价仅2美元。亥伯龙仅出售掺在塑料里的纳米管，但也有像美国休斯敦碳纳米技术公司及中国南昌的太阳纳米技术公司等不少其他的公司单纯出售成克的纳米管。

不光是汽车制造商发现纳米管的传导性有用。电子工业也十分珍视它。现在把纳米管掺入传送盒和用于传递芯片及硬磁盘机的托盘。由钉着纳米管的塑料制成的传送盒能消除电荷，不使积聚，其十分光滑的表面，能确保把它们从包装中取出时不致使微细的磁轨从芯片上脱落。

电子工业往往喜欢用纳米管包装芯片，如果首先能用纳米管制造芯片，则将更加令人满意。工程技术人员每18个月左右就使晶体管一层一层精心排列的半导体和导电的电极组成的电气开关——的数量翻一番，它们会塞满信息处理器的芯片。长此以往，就必须用硅制成愈来愈小的晶体管。不用数年，晶体管就会小到电子将能穿过元件间的绝缘层使芯片失效。因此需要一个进一步缩小晶体管的合理方法。合理的方法也许就是用纳米管导线连接纳米管的晶体管。但是这得依赖昂贵的单层纳米管，因此难以以合理的成本实现这一想法。一克单层纳米管价值750美元，约为黄金价的70倍。成本所以这么高，是因为生产过程会形成杂质，除去这些杂质成本很高。

制造纳米管的主要方法是用激光辐射碳，或者把烃类蒸汽通过炙热的金属催化剂。其最终结果往往大部分纳米管混有烟灰和金属微粒等杂质。尽管可以把纳米管在酸里清洗以除去金属杂质和炭泥，但清洗的费用很大，且有破坏蜂窝状结构从而破坏所希望的电气性能和机械性能。美国国际商用机器公司正在倡导一种绕过这一障碍的方法，但纳米管信息处理器还有很长一段路要走。

纳米管机械性能的应用目前还有些问题。作为联系太空的绳索的想法未免相当牵强；迄今制得的最长的纳米管仅长20厘米。至少到目前为止，在混凝土等材料中嵌入纳米管只能起到相反的作用。不但不能提高强度，反而给材料造成了弱点。

因此，至少到目前为止，纳米管的变革依然着重在钉有便宜的多层纳米管的塑料上。首先，纳米管可使塑料比铜的导电性还要好。南卡罗莱纳州克莱姆松大学的D · 卡洛尔及其同事们在聚苯胺（PANI）等已然导电的塑料中掺加纳米管以提高其导电性能。“PANI本身的导电性不是太好，不能取代铜导线。”卡洛尔解释说。“加入了纳米管，就可以用轻质的塑料导线代替飞机中全部重质的铜。”这一重量的减轻将可立即导致燃油消耗的降低。

卡洛尔对压电塑料的研究显示了极其令人兴奋的应用前景，压电塑料就是对其加压或加热时能产生电压的材料。去年他的研究组发现，如把纳米管钉入一种用于超声探测器的聚合物聚偏二氟乙烯（PVDF）中，则后者对压力的敏感度可提高至原来的3倍。不用多少纳米管，即可显示对压力敏感度的提高：在8000股PVDF中只要钉人一根纳米管即可。

压力敏感度之所以能提高，是因为纳米管能使该聚合物保持稳定的压电状态。制造塑料制品时的卷、拉、压等过程一般会破坏使PVDF成为压电塑料的分子结构。但卡洛尔发现，加人不多的纳米管，即足以在任何情况下保持住压电的分子结构。

卡洛尔对压电塑料有一个远大的计划。“化学工业已经生产了大量PVDF，”他说。“这仅是制造尼龙纤维的一小步。”他设想把它们织成船帆，这样在它们张着风时就能够发电，甚至足以供船上照明和供热的用电。将来，或许可用巨大的压电聚合物的帆发电供家用。

他的研究小组还在塑料太阳能电池中加人纳米管，发现其光电转化效率为其他塑料光电装置的50，000倍。研究工作者喜爱用塑料制造太阳能电池，这是因为聚合物十分便宜，可以把它们制成巨大的板。当阳光照到聚合物上时，后者会释放出电子以及通过聚合物传到电极上的带正电的空穴，产生电流。但是迄今塑料仅能产生很低的光致电压，这是因为电子和空穴在聚合物中很难移动。相反，它们在到达电极以前就会碰到一起重新结合形成光，使得聚合物光电池的转化效率仅为0.0001%——即每100万个到达太阳能电池的光子，只有一个光子产生电流。而且它们的寿命往往很短，每块电池板工作不到几个小时，空气中的氧就会渗入塑料捕获电荷载体。

但布满聚合物的纳米管网能使电子和空穴自由流向电极。卡洛尔研究组已经制得能把5%的光转化为电的太阳能电池，其寿命足以在市场上供应。“我一年以前制得的一些电池现在依然在用，”他说。

尽管最好的硅太阳能电池的效率要高不少倍，但卡洛尔预期他的材料会引起人们巨大的兴趣，因为它可用于制造发电的太阳能电池片。他认为这一市场将为一批不一般的人所驱动，他们就是不愿用煤气炉烧饭吃的野营者，他们将有幸把他们的电器插到他们接有电线的帐篷......

[New Scientist，2003年3月15日]