納米奧巴馬：在電子顯微鏡下看到的碳納米管奧巴馬畫(huà)像

產(chǎn)學(xué)研大聯(lián)動(dòng) 新一代材料碳納米管嶄露頭角

碳納米管是1991年被發(fā)現(xiàn)的一種碳結(jié)構(gòu)，它是由若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部中空?？梢钥醋魇怯墒┢瑢泳砬?，因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。這種材料很輕，但很結(jié)實(shí)。碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。

“碳納米管是我所能見(jiàn)到的最好的導(dǎo)電材料。”

美國(guó)賴斯大學(xué)化學(xué)和材料科學(xué)教授安德魯·巴倫希望用這種材料制成一些非常大東西，例如幾千英里長(zhǎng)的高導(dǎo)電電力傳輸線，用于建設(shè)更有效的能源網(wǎng)格。

而這也是賴斯大學(xué)已故教授理查德·斯莫利一個(gè)未完成的構(gòu)想，他因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了碳納米而榮膺諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

技術(shù)突破

碳納米管，這種二十世紀(jì)末被發(fā)現(xiàn)的特殊材料今年變得廣受矚目。這一研究領(lǐng)域的終極目標(biāo)之一，便是依靠掌握碳納米管的手性，即分子的對(duì)稱特點(diǎn)，合成單壁碳納米管。

來(lái)自芬蘭阿爾托大學(xué)、俄羅斯普羅霍羅夫普通物理研究所以及丹麥技術(shù)大學(xué)電子顯微中心的科學(xué)家們?nèi)涨靶迹麄円呀?jīng)掌握了碳納米管中超過(guò)50%的手性。

這一關(guān)鍵技術(shù)的突破意味著碳納米管的商業(yè)開(kāi)采以滿足無(wú)數(shù)實(shí)際應(yīng)用正式邁開(kāi)腳步。

在碳納米管被發(fā)現(xiàn)之初，技術(shù)和復(fù)雜的工藝令這一技術(shù)止步不前。其無(wú)法在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮作用的一大制約因素，便是人們沒(méi)法很好地掌握其手性，手性決定著碳納米管的光學(xué)和電子特性。

就好比你拿起一張紙，當(dāng)你將它卷起放入一只試管中是，它會(huì)呈現(xiàn)一種狀態(tài)；而當(dāng)你將它卷成某個(gè)角度，它又會(huì)呈現(xiàn)另外一種樣子?！笆堑?，這就是我們?nèi)绾谓忉寙伪谔技{米管的結(jié)構(gòu)。就像按照各種方向和寬度，將石墨烯片通過(guò)不同的方式卷曲。”阿爾托大學(xué)科學(xué)院應(yīng)用物理系的教授艾司科·考皮寧說(shuō)。

產(chǎn)業(yè)落地

碳納米管被視為有朝一日有望超越硅在生產(chǎn)計(jì)算機(jī)芯片中的作用。它比硅晶體管體積更小，速度更快，同時(shí)也更節(jié)能。碳納米管也曾被海外媒體譽(yù)為21世紀(jì)材料界的奇跡，可以用于水和油的凈化，人造肌肉、骨骼支架或是細(xì)胞療法，甚至還可以用來(lái)制造更好的平板電腦顯示屏，LED及柔性顯示屏。

近期，富士康旗下的天津富納源創(chuàng)科技有限公司通過(guò)與清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)碳納米管觸控屏產(chǎn)業(yè)化。

航天工程學(xué)家也為這種超級(jí)材料著迷。研究人員正在尋找一種更為強(qiáng)勁且更輕的材料用于下一代商業(yè)飛機(jī)，理想的方法之一便包括將碳納米管涂于碳纖維表面進(jìn)而增加其強(qiáng)度。麻省理工學(xué)院的博士后斯蒂芬·施泰納說(shuō)，這是一個(gè)令人感到興奮的領(lǐng)域，并且極有可能對(duì)環(huán)境、飛行器等方面產(chǎn)生大范圍的影響。

此外，來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)的研究人員也利用單壁碳納米管膜作為材料之一，成功研制出具有超強(qiáng)伸縮性、高集成度的超級(jí)電容器的儲(chǔ)能裝置，用于彌補(bǔ)彈性電子產(chǎn)品急需的能量來(lái)源。（記者 王宙潔）

■延伸閱讀

神奇的納米世界

作為納米家族的成員之一，碳納米管的出現(xiàn)令材料界不為人知的商業(yè)錢(qián)景浮現(xiàn)在了人們的面前。

無(wú)論是電動(dòng)車還是電池，或是人體組織甚至收音機(jī)，納米充斥著我們生活的方方面面。對(duì)電動(dòng)汽車或插入式混合動(dòng)力汽車而言，它們需要更便宜且能量密度更高的電池，來(lái)和傳統(tǒng)汽車競(jìng)爭(zhēng)。斯坦福的研究人員便成功實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，納米成為他們的殺手锏。設(shè)計(jì)出新的納米結(jié)構(gòu)，還可以極大地增加可充電的次數(shù)，足以滿足很多商業(yè)應(yīng)用。

也有報(bào)道稱，單壁碳納米管陣列結(jié)合硫化電解質(zhì)，便可以制成更強(qiáng)大的太陽(yáng)能電池，萊斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的這種染料敏化太陽(yáng)能電池，其成本只有硅基太陽(yáng)能電池的一小部分，極大地降低了太陽(yáng)能電池的成本。

此外，還有一種由廉價(jià)材料制造的納米發(fā)電機(jī)。據(jù)海外媒體報(bào)道，佐治亞理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一款原型產(chǎn)品，能利用運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生的靜電給手機(jī)電池充電。這種納米發(fā)電機(jī)能將機(jī)械運(yùn)動(dòng)能量的10%至15%轉(zhuǎn)換為電能，而更薄的材料轉(zhuǎn)換率甚至可以達(dá)到40%。

更令人嘆為觀止的是其在生命科技領(lǐng)域的應(yīng)用。布朗大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，碳納米管作為一種納米材料，具有導(dǎo)電性，可以模擬人體組織，幫助心臟修復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)心臟組織的細(xì)胞再生。

斯坦福大學(xué)則在全力發(fā)展以矽為基礎(chǔ)的納米線技術(shù)。據(jù)海外媒體報(bào)道，這種技術(shù)不僅能儲(chǔ)存大量電能，催生新世代高能量納米電池，亦可組成透明電極網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)手機(jī)電池透明化設(shè)計(jì)。

報(bào)道稱，斯坦福大學(xué)正積極與產(chǎn)業(yè)界研擬技術(shù)合作，可望在未來(lái)1至2年內(nèi)，將納米線應(yīng)用于行動(dòng)裝置鋰電池設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)現(xiàn)有裝置的平均續(xù)航力，并縮減電池占位空間。