“全能纖維”碳納米管

檸檬夸克

2014年6月26日，《新聞聯(lián)播》節(jié)目少見(jiàn)地報(bào)道了一條科技新聞：我國(guó)科學(xué)家在新材料領(lǐng)域取得了世界級(jí)研究成果。北京大學(xué)李彥教授和她的課題組首次提出碳納米管生長(zhǎng)規(guī)律的控制方法，這一成果發(fā)表在當(dāng)日出版的權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

能上《新聞聯(lián)播》的，肯定是國(guó)內(nèi)外大事！看來(lái)這位李教授的研究很了不起，可到底“了不起”在什么地方呢？碳納米管又是神馬東東？哈哈，兒童相見(jiàn)不相識(shí)，千萬(wàn)別說(shuō)你不認(rèn)識(shí)它，它經(jīng)常會(huì)在你的化學(xué)考卷里露一臉。

一個(gè)球和一個(gè)管的故事

碳納米管，顧名思義，由碳原子組成，它的大小是納米——也就是10-9米數(shù)量級(jí)，形狀呈管狀。區(qū)區(qū)四個(gè)字的名字，涵蓋了三個(gè)性質(zhì)，這的確是一個(gè)好名字。不過(guò)，你知道嗎？碳納米管還有一個(gè)名字叫巴基管，這個(gè)名字聽(tīng)上去可就土多了，它來(lái)源于一個(gè)人的名字，這個(gè)人叫做巴基·富勒。

巴基·富勒是一個(gè)建筑師，以設(shè)計(jì)未來(lái)時(shí)代的城市著稱。他的代表作艾波卡特坐落于美國(guó)佛羅里達(dá)州的迪斯尼世界度假區(qū)，是這個(gè)度假區(qū)內(nèi)除迪斯尼外的第二座主題樂(lè)園——未來(lái)城市主題樂(lè)園。艾波卡特在1982年10月正式開(kāi)幕，建筑的整體由一個(gè)巨大的網(wǎng)格球頂型包裹，周圍也都是同樣未來(lái)派風(fēng)格的建筑。

在艾波卡特落成后的第3年，1985年，英國(guó)化學(xué)家哈羅德·克羅托和美國(guó)化學(xué)家理查德·斯莫利制備出了一種很特別的物質(zhì)。這種物質(zhì)的分子由60個(gè)碳原子組成，這60個(gè)碳原子組成一個(gè)足球的形狀?？瓷先ズ桶ㄌ厝绱酥?，再加上克羅托和斯莫利又是巴基·富勒的超級(jí)粉絲，于是這種新的物質(zhì)被命名為富勒烯。在我國(guó)，也有人稱這種物質(zhì)為巴基球或足球烯。

我們知道，碳是地球上最重要的元素之一。所有的生物，包括我們?nèi)祟惖纳眢w里，都充滿了碳元素?；瘜W(xué)家們?yōu)榱搜芯刻己吞嫉幕衔铮瑢ｉT開(kāi)辟了有機(jī)化學(xué)這一重要的化學(xué)領(lǐng)域?；瘜W(xué)家們很早就知道，純凈的碳有兩種不同的形態(tài)——金剛石和石墨，所謂金剛石，就是女士們手上戴著的閃閃發(fā)光的鉆石；而石墨，是一種黑黑的粉末，是鉛筆芯的主要材料。

看上去如此不同的兩樣?xùn)|西，居然都是由碳組成的，可見(jiàn)碳的神奇！然而事情還沒(méi)有完，克羅托和斯莫利的工作帶給我們一種全新的認(rèn)知，碳原子居然還能排列成這個(gè)樣子！

富勒烯的發(fā)現(xiàn)開(kāi)闊了人們的視野，科學(xué)家們開(kāi)始尋找碳的其他組合方式。功夫不負(fù)有心人，1991年，日本物理學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)了管狀的富勒烯。既然球狀的叫巴基球，干脆管狀的就叫巴基管吧。這就是我們前面講到的碳納米管。在碳納米管中，每一個(gè)碳原子都和其他碳原子一起組成六邊形，所有的六邊形連接在一起，形成一個(gè)管狀結(jié)構(gòu)。

制造碳納米管的最大難題

碳納米管是一種“超級(jí)材料”，它的強(qiáng)度是鋼材的300倍，而密度僅僅是鋼材的1/6，而且它還擁有良好的柔韌性，可以隨意拉伸，被譽(yù)為“全能纖維”。碳納米管有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，也許在不久的將來(lái)，它可以取代硅成為計(jì)算機(jī)芯片的主要材料。

雖然全能，可目前的碳納米管還只能在實(shí)驗(yàn)室中拳打腳踢施展武藝。之所以會(huì)這樣，是因?yàn)橄胍圃煲粋€(gè)碳納米管實(shí)在太困難了！前面那張圖里的碳納米管是一種完美的形狀，每個(gè)碳原子都和其他的碳原子組成六邊形?？墒窃趯?shí)際制造碳納米管的過(guò)程中，可沒(méi)有那么完美了，五邊形、六邊形、七邊形……一個(gè)個(gè)長(zhǎng)得都歪瓜裂棗。這些碳原子會(huì)隨機(jī)組成各種不同的組合，這些不確定的組合會(huì)嚴(yán)重影響碳納米管的性質(zhì)！人們不知道如何來(lái)控制碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而得到性能穩(wěn)定的成品。這個(gè)問(wèn)題一直困擾了人們20多年。

李彥教授和她的課題組找到了一種很好的方法，可以控制碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出完美的全部六邊形的碳納米管。這一發(fā)現(xiàn)，無(wú)疑為碳納米管的深度開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

“全能纖維”也有不少缺點(diǎn)

作為一種超級(jí)材料，碳納米管的應(yīng)用，無(wú)疑能給我們的生活帶來(lái)很多的便利。不過(guò)它也有很多不好的地方。

首先，它能引起我們眼睛的不適，讓我們的皮膚過(guò)敏，如果我們吸入過(guò)多的碳納米管，還可能導(dǎo)致肺癌、塵肺等疾病。其次，它會(huì)引起水生生物的生長(zhǎng)變慢，甚至死亡。再次，它的結(jié)構(gòu)并不是十分穩(wěn)定，它會(huì)吸附周圍的物質(zhì)從而引起自身結(jié)構(gòu)的改變，這些改變會(huì)不會(huì)產(chǎn)生一些有毒有害的物質(zhì)，還需要進(jìn)一步研究。

相信將來(lái)人們一定會(huì)想辦法改進(jìn)碳納米管的性質(zhì)，使它更多地造福人類。