你知道世(shi)界(jie)上最“黑”的(de)材(cai)料是什么吗？近期，国外一(yi)所学(xue)院的(de)研究人(ren)员(yuan)利用(yong)碳(tan)纳(na)(na)米(mi)管(guan)制(zhi)造出(chu)一(yi)款材(cai)料，可吸收99.96%以上的(de)入射(she)光，堪称材(cai)料家(jia)族中的(de)“黑洞”。无独有偶(ou)，同样是碳(tan)纳(na)(na)米(mi)管(guan)材(cai)料，研究人(ren)员(yuan)利用(yong)超过1.4万个碳(tan)纳(na)(na)米(mi)管(guan)晶体管(guan)，制(zhi)造出(chu)16位微处(chu)理(li)器芯片，并向世(shi)界(jie)发出(chu)了“Hello, World”的(de)信息。

　　碳纳米管，作(zuo)为(wei)一种拥有特殊(shu)结构(gou)的(de)一维(wei)量子材料，具(ju)备(bei)诸多超乎寻常的(de)力(li)学、电学、热学等物理性能和化(hua)学性能。请看——

图为碳纳米管结构示意图。供图：刘(liu)程

性能优异(yi)的“材(cai)料之(zhi)王”

　　在(zai)(zai)碳(tan)纳米(mi)管没有出(chu)(chu)现在(zai)(zai)世(shi)人面(mian)前之前，硅(gui)是(shi)(shi)半导体家族中当之无愧的(de)(de)“王者”。现有每个晶体管的(de)(de)核心都是(shi)(shi)由硅(gui)制成的(de)(de)半导体组件(jian)。根据晶体管的(de)(de)“开启”和“关闭(bi)”状态，来显示是(shi)(shi)否(fou)有电流通(tong)过，进而在(zai)(zai)计算(suan)机(ji)中呈现出(chu)(chu)1和0的(de)(de)“计算(suan)机(ji)语言(yan)”。只不过，硅(gui)晶体管目前在(zai)(zai)体积和性能(neng)上逐(zhu)渐面(mian)临发展瓶颈，人们(men)于(yu)是(shi)(shi)将更(geng)多地目光集中到碳(tan)纳米(mi)管等新兴材料上。

　　碳(tan)纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)又名(ming)巴基管(guan)(guan)，是(shi)一(yi)种由(you)呈六边形排列的碳(tan)原(yuan)子(zi)构(gou)成的数层或数十层的同轴圆管(guan)(guan)，管(guan)(guan)的直(zhi)径(jing)一(yi)般(ban)为2到20纳(na)(na)米(mi)(mi)。与头发丝相比(bi)，碳(tan)纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)的直(zhi)径(jing)只(zhi)有它的几(ji)万分之一(yi)，目(mu)前公开(kai)报(bao)道的最细碳(tan)纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)直(zhi)径(jing)为0.4纳(na)(na)米(mi)(mi)。正是(shi)由(you)于碳(tan)纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)几(ji)乎只(zhi)有原(yuan)子(zi)那么厚(hou)，且可以很好(hao)地传输(shu)电流(liu)，人们才能用碳(tan)纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)制造出比(bi)硅更好(hao)的半导体。

　　研究表明，碳纳米管处理(li)器(qi)的(de)运行速度比(bi)硅处理(li)器(qi)快2倍(bei)，功耗(hao)却只有硅处理(li)器(qi)的(de)1/3，性能优异的(de)新一代电子产(chan)品(pin)“王者”呼之欲出。

　　事实上，碳(tan)纳(na)米管(guan)还有着许多堪(kan)称“特立独行”的(de)神奇特性。作为迄今(jin)为止(zhi)人类(lei)发(fa)现的(de)力学性能最好的(de)材料，碳(tan)纳(na)米管(guan)有着极高的(de)拉伸强(qiang)度(du)、杨氏(shi)模(mo)量和断裂(lie)应变。与型号ASTMA228的(de)高强(qiang)度(du)钢相比，碳(tan)纳(na)米管(guan)的(de)强(qiang)度(du)是它(ta)(ta)的(de)270倍，弹性约为它(ta)(ta)的(de)5倍，密度(du)却(que)只(zhi)有它(ta)(ta)的(de)1/6。

　　此(ci)外，碳纳米管在(zai)电学、热(re)学和(he)光学等方面(mian)也有着(zhe)超越传统导(dao)电、导(dao)热(re)材料的优异表现。从理论上(shang)讲，碳纳米管的导(dao)电效率(lv)是硅(gui)的10倍，一旦(dan)碳纳米管得(de)到广泛(fan)应(ying)用，“硅(gui)谷”可能就真的名不(bu)副实了(le)。

“驯服”碳(tan)纳米管(guan)尤为不易

　　早(zao)在1985年，“足(zu)球(qiu)”结(jie)构的(de)富(fu)勒烯一经发现，立刻引来了(le)全(quan)世(shi)界(jie)的(de)目(mu)光。以“足(zu)球(qiu)”结(jie)构为基础，稍加改动，就可形成具有中(zhong)空(kong)圆柱状结(jie)构的(de)碳纳米(mi)管。1991年，日本研(yan)究人员(yuan)首次在碳纤维中(zhong)发现了(le)碳纳米(mi)管。随后，研(yan)究人员(yuan)又发现了(le)碳纳米(mi)管优(you)异的(de)导电性(xing)等诸多性(xing)能。目(mu)前(qian)，人们正(zheng)在向(xiang)着批量制备单根长度(du)达到米(mi)级(ji)甚(shen)至(zhi)公里级(ji)以上的(de)碳纳米(mi)管而努力。

　　想要(yao)“驯服”碳(tan)(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)这一(yi)“材(cai)(cai)料之王”实属不(bu)易。虽然碳(tan)(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)是一(yi)种半导体，但(dan)其(qi)目前(qian)的(de)(de)制造过程需要(yao)用到金属，不(bu)可避免地会在(zai)成(cheng)品材(cai)(cai)料中(zhong)混入(ru)金属杂质。同时，将碳(tan)(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)转化(hua)(hua)为(wei)电子元(yuan)器件，需要(yao)将纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)放置在(zai)极其(qi)精确的(de)(de)位置上。目前(qian)，人们还(hai)没有掌握能让碳(tan)(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)在(zai)特(te)定位置生(sheng)长的(de)(de)方法(fa)。碳(tan)(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)也(ye)对其(qi)“出(chu)生(sheng)”的(de)(de)“产房”提出(chu)了极高(gao)要(yao)求：一(yi)旦(dan)环(huan)境温(wen)度过高(gao)致使(shi)催化(hua)(hua)剂失去活性，碳(tan)(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)就会停(ting)止“生(sheng)长”；相反，如果控制上稍有差池，碳(tan)(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)又会“疯狂(kuang)地生(sheng)长”。

　　事实上，早在(zai)2013年，有关研究人(ren)员(yuan)就制造出了拥(yong)有178个晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)第一台碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)计(ji)算机(ji)(ji)，其(qi)中每个晶(jing)体(ti)管(guan)包含大约10到200纳(na)(na)(na)米(mi)长的(de)碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)。如(ru)今，已有直径约为(wei)1微米(mi)的(de)碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)计(ji)算机(ji)(ji)晶(jing)体(ti)管(guan)研制成(cheng)功(gong)，每秒(miao)能(neng)开(kai)关约100万次。此外，研究人(ren)员(yuan)还发现碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)管(guan)有着优异的(de)储氢性能(neng)，有望成(cheng)为(wei)氢能(neng)电池的(de)制造材料，可(ke)广泛应用(yong)于电动车、潜艇、电力机(ji)(ji)车等(deng)领域。

　　人们还计(ji)划(hua)将千(qian)千(qian)万万根碳纳米管(guan)拧(ning)在一起组成宏观纤维(wei)(wei)，这种(zhong)被(bei)称(cheng)为(wei)“终极(ji)纤维(wei)(wei)”的碳纳米管(guan)纤维(wei)(wei)，将对21世纪高(gao)端科技发展具(ju)有重大战略意(yi)义(yi)。一旦人们在“驯(xun)服”碳纳米管(guan)领域取得突破，一场(chang)由碳纳米管(guan)发端的科技革命即将“引爆”全球。

应用前景或将改变(bian)世界

　　在(zai)地球和月(yue)球或太空基地之间(jian)搭建一(yi)座(zuo)“太空天梯(ti)”，这一(yi)场景曾出现(xian)在(zai)包括《三体(ti)》在(zai)内的(de)诸(zhu)多科幻(huan)小说(shuo)中。要(yao)(yao)想建造月(yue)地“太空天梯(ti)”，就要(yao)(yao)能(neng)(neng)找到(dao)一(yi)种能(neng)(neng)跨越38万公里距离且不被自(zi)身重量拉(la)断的(de)材料。作为(wei)迄今为(wei)止(zhi)发现(xian)的(de)力(li)学(xue)性能(neng)(neng)最好的(de)材料之一(yi)，碳(tan)纳米(mi)管有着极高(gao)的(de)拉(la)伸强(qiang)度，或将助力(li)人们从地球“爬(pa)向(xiang)太空”。未来，人类(lei)进入太空或运送物资进入空间(jian)站，或许(xu)就能(neng)(neng)像乘坐电梯(ti)一(yi)样来去自(zi)如。

　　同样(yang)借助于(yu)碳纳(na)米(mi)管(guan)独特的(de)(de)(de)(de)力学特性(xing)，研究人员正尝试(shi)研究制造诸如“拉不(bu)(bu)断”的(de)(de)(de)(de)绳(sheng)子、“扯不(bu)(bu)破”的(de)(de)(de)(de)纤维布和“打不(bu)(bu)透”的(de)(de)(de)(de)防弹衣等“黑科技”产品(pin)。风(feng)力发电机使用(yong)的(de)(de)(de)(de)叶片，对(dui)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)强度(du)和刚度(du)要求(qiu)极高，利用(yong)碳纳(na)米(mi)管(guan)纤维制成的(de)(de)(de)(de)增强复(fu)合材(cai)料将(jiang)成为(wei)最好的(de)(de)(de)(de)选(xuan)择。碳纳(na)米(mi)管(guan)纤维增强复(fu)合材(cai)料还具有极好的(de)(de)(de)(de)抗(kang)(kang)疲劳性(xing)，在(zai)桥梁、建筑中应用(yong)，不(bu)(bu)仅可以(yi)提高强度(du)和抗(kang)(kang)震能力，还将(jiang)延长其使用(yong)寿(shou)命。未来，包括高尔夫球(qiu)(qiu)杆、钓(diao)鱼(yu)竿、网球(qiu)(qiu)拍、自(zi)行车、汽车、高铁(tie)列车等，都可以(yi)选(xuan)用(yong)碳纳(na)米(mi)管(guan)材(cai)料。

　　把能(neng)量(liang)储存到碳纳米管中，类似“钢铁(tie)侠(xia)”一(yi)(yi)(yi)般的(de)装(zhuang)备也将(jiang)(jiang)(jiang)成为现(xian)实。目前，国外某实验室正牵(qian)头(tou)研发一(yi)(yi)(yi)种能(neng)够对(dui)外提供(gong)电能(neng)的(de)新型服装(zhuang)。这种将(jiang)(jiang)(jiang)碳纳米管变成纺(fang)织面料(liao)的(de)服装(zhuang)，将(jiang)(jiang)(jiang)为战场上使用的(de)照明装(zhuang)置、夜(ye)视仪(yi)和通信设(she)备等提供(gong)电力供(gong)应(ying)，势必进一(yi)(yi)(yi)步减轻单兵负担。

此外，有研究人员还通过合成(cheng)碳(tan)纳(na)米管材料，研制出(chu)一种能灵敏感(gan)知压力变化(hua)的传感(gan)器(qi)织物，可在运动(dong)训练领域发挥重(zhong)要作用(yong)(yong)。人们还尝(chang)试将碳(tan)纳(na)米管制成(cheng)透明导电的薄膜(mo)，用(yong)(yong)作触摸屏(ping)的替代(dai)材料。

　　关于碳(tan)纳(na)(na)米(mi)管的(de)(de)未来(lai)应用还有许许多多。由于特殊的(de)(de)结构和介电(dian)性质，碳(tan)纳(na)(na)米(mi)管表现出较强的(de)(de)宽带微(wei)波吸收性能，是一种(zhong)有着光明前途的(de)(de)理想微(wei)波吸收剂，可用于隐身材料、电(dian)磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。同时，研(yan)究(jiu)人(ren)员畅想将(jiang)碳(tan)纳(na)(na)米(mi)管制作成可注射入人(ren)体(ti)内的(de)(de)微(wei)型芯片，还计(ji)划将(jiang)碳(tan)纳(na)(na)米(mi)管打造成能杀死人(ren)体(ti)内癌(ai)细胞的(de)(de)纳(na)(na)米(mi)机(ji)器(qi)人(ren)。

来源(yuan)：中国军网