你知道世界上最“黑(hei)”的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)是什么吗(ma)？近期，国(guo)外一所学院的(de)(de)(de)研究人(ren)员利用(yong)碳(tan)(tan)纳(na)米管(guan)制造(zao)出一款材(cai)料(liao)(liao)，可吸收99.96%以(yi)上的(de)(de)(de)入射(she)光，堪称(cheng)材(cai)料(liao)(liao)家族中的(de)(de)(de)“黑(hei)洞”。无独有(you)偶，同(tong)样(yang)是碳(tan)(tan)纳(na)米管(guan)材(cai)料(liao)(liao)，研究人(ren)员利用(yong)超(chao)过1.4万个碳(tan)(tan)纳(na)米管(guan)晶(jing)体(ti)管(guan)，制造(zao)出16位(wei)微处理器芯片(pian)，并向(xiang)世界发出了“Hello, World”的(de)(de)(de)信息。

　　碳纳米管，作为一种拥(yong)有(you)特(te)殊(shu)结构的一维(wei)量子(zi)材料，具备诸(zhu)多超乎寻常的力学(xue)、电学(xue)、热学(xue)等物理(li)性(xing)能和化(hua)学(xue)性(xing)能。请看——

图(tu)为碳(tan)纳米(mi)管结(jie)构示意(yi)图(tu)。供图(tu)：刘程(cheng)

性能优(you)异(yi)的(de)“材(cai)料之王”

　　在(zai)碳纳米(mi)管(guan)(guan)没有出(chu)现在(zai)世人面前之(zhi)(zhi)前，硅(gui)是半(ban)导(dao)体(ti)家族中(zhong)当之(zhi)(zhi)无愧(kui)的“王者”。现有每个晶体(ti)管(guan)(guan)的核心都是由硅(gui)制成的半(ban)导(dao)体(ti)组件。根(gen)据晶体(ti)管(guan)(guan)的“开启”和“关(guan)闭(bi)”状态，来显(xian)示是否有电流通过，进而(er)在(zai)计算机中(zhong)呈现出(chu)1和0的“计算机语言”。只不过，硅(gui)晶体(ti)管(guan)(guan)目前在(zai)体(ti)积和性(xing)能上逐渐面临发展(zhan)瓶颈，人们于(yu)是将(jiang)更多(duo)地目光集(ji)中(zhong)到(dao)碳纳米(mi)管(guan)(guan)等新兴材料(liao)上。

　　碳纳米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)又名巴基管(guan)(guan)，是一(yi)(yi)种由(you)呈(cheng)六边(bian)形(xing)排列(lie)的碳原子(zi)(zi)构(gou)成(cheng)的数层或数十层的同轴圆管(guan)(guan)，管(guan)(guan)的直径一(yi)(yi)般(ban)为2到(dao)20纳米(mi)(mi)(mi)。与头(tou)发丝相比，碳纳米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)的直径只有它的几万分之(zhi)一(yi)(yi)，目(mu)前公开(kai)报道的最细碳纳米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)直径为0.4纳米(mi)(mi)(mi)。正是由(you)于碳纳米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)几乎只有原子(zi)(zi)那么厚(hou)，且可以(yi)很好地传输电流，人们才能用碳纳米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)制造出(chu)比硅更好的半导体。

　　研(yan)究表明，碳纳米管(guan)处理器(qi)的(de)运行速度比(bi)硅处理器(qi)快2倍，功耗却只有硅处理器(qi)的(de)1/3，性能优异(yi)的(de)新(xin)一代电子产品“王者(zhe)”呼之欲出。

　　事实(shi)上(shang)，碳(tan)(tan)纳(na)(na)米管还有着(zhe)(zhe)许多堪称“特(te)立独(du)行(xing)”的(de)(de)神奇(qi)特(te)性。作为迄今为止人类发(fa)现(xian)的(de)(de)力(li)学性能最(zui)好的(de)(de)材(cai)料，碳(tan)(tan)纳(na)(na)米管有着(zhe)(zhe)极高的(de)(de)拉伸强度(du)、杨(yang)氏模量和(he)断裂(lie)应变。与型号ASTMA228的(de)(de)高强度(du)钢相比，碳(tan)(tan)纳(na)(na)米管的(de)(de)强度(du)是它的(de)(de)270倍(bei)，弹性约为它的(de)(de)5倍(bei)，密度(du)却(que)只(zhi)有它的(de)(de)1/6。

　　此外(wai)，碳纳(na)米管在电学、热学和(he)光学等(deng)方面也有着超越传(chuan)统导电、导热材料(liao)的(de)优异表现(xian)。从理论上讲，碳纳(na)米管的(de)导电效率(lv)是硅(gui)的(de)10倍，一旦碳纳(na)米管得到广泛应用，“硅(gui)谷”可能就真的(de)名(ming)不副实了(le)。

“驯服”碳纳米管尤(you)为不易(yi)

　　早(zao)在(zai)1985年，“足(zu)球”结构的(de)富勒烯一经发现(xian)，立(li)刻引来了(le)全世界的(de)目光。以(yi)“足(zu)球”结构为(wei)基础(chu)，稍加(jia)改动，就可(ke)形成具有中空圆柱状结构的(de)碳(tan)纳(na)米(mi)(mi)管(guan)。1991年，日本(ben)研(yan)究(jiu)人员首次在(zai)碳(tan)纤维中发现(xian)了(le)碳(tan)纳(na)米(mi)(mi)管(guan)。随(sui)后，研(yan)究(jiu)人员又发现(xian)了(le)碳(tan)纳(na)米(mi)(mi)管(guan)优异(yi)的(de)导(dao)电(dian)性(xing)等诸多性(xing)能。目前，人们正(zheng)在(zai)向着(zhe)批量制(zhi)备单(dan)根长(zhang)度达到米(mi)(mi)级甚至公(gong)里级以(yi)上的(de)碳(tan)纳(na)米(mi)(mi)管(guan)而努力。

　　想要(yao)“驯服”碳纳(na)(na)(na)米管这一(yi)“材(cai)(cai)料之王(wang)”实属不易。虽然(ran)碳纳(na)(na)(na)米管是一(yi)种半导体，但其(qi)目(mu)前的(de)制(zhi)造过程需(xu)要(yao)用到金属，不可避免地会(hui)在成品材(cai)(cai)料中混(hun)入(ru)金属杂(za)质。同时，将(jiang)碳纳(na)(na)(na)米管转化为电子(zi)元(yuan)器件，需(xu)要(yao)将(jiang)纳(na)(na)(na)米管放置在极其(qi)精确的(de)位置上。目(mu)前，人们还没(mei)有掌握能让碳纳(na)(na)(na)米管在特定位置生(sheng)(sheng)长(zhang)的(de)方法。碳纳(na)(na)(na)米管也对(dui)其(qi)“出生(sheng)(sheng)”的(de)“产房”提出了极高(gao)要(yao)求：一(yi)旦(dan)环境温度(du)过高(gao)致(zhi)使催化剂失(shi)去活性，碳纳(na)(na)(na)米管就会(hui)停止(zhi)“生(sheng)(sheng)长(zhang)”；相反(fan)，如果控制(zhi)上稍有差池，碳纳(na)(na)(na)米管又(you)会(hui)“疯狂地生(sheng)(sheng)长(zhang)”。

　　事(shi)实上(shang)，早在(zai)2013年，有(you)关研究人员(yuan)就制造出了拥有(you)178个(ge)晶(jing)体(ti)管(guan)的第一(yi)台碳纳(na)米管(guan)计(ji)算(suan)机，其中每(mei)个(ge)晶(jing)体(ti)管(guan)包含大约10到200纳(na)米长的碳纳(na)米管(guan)。如(ru)今，已(yi)有(you)直径约为1微米的碳纳(na)米管(guan)计(ji)算(suan)机晶(jing)体(ti)管(guan)研制成(cheng)功，每(mei)秒能开关约100万次。此外，研究人员(yuan)还发现(xian)碳纳(na)米管(guan)有(you)着优(you)异的储(chu)氢(qing)性能，有(you)望成(cheng)为氢(qing)能电池(chi)的制造材(cai)料，可广泛应用于电动车、潜(qian)艇(ting)、电力机车等(deng)领域。

　　人(ren)们还(hai)计划将千(qian)千(qian)万万根碳纳米管(guan)拧在一起(qi)组(zu)成宏观纤维，这(zhei)种被称为“终极纤维”的碳纳米管(guan)纤维，将对21世纪高端科技(ji)发展具有(you)重大战略意义(yi)。一旦人(ren)们在“驯服(fu)”碳纳米管(guan)领域取得突破，一场由碳纳米管(guan)发端的科技(ji)革命(ming)即将“引爆(bao)”全球。

应用(yong)前(qian)景或将改变世(shi)界

　　在(zai)(zai)地(di)球(qiu)(qiu)和月球(qiu)(qiu)或(huo)(huo)太(tai)空基地(di)之间搭建(jian)一座(zuo)“太(tai)空天梯(ti)”，这一场景(jing)曾出现(xian)(xian)在(zai)(zai)包括《三体》在(zai)(zai)内(nei)的诸(zhu)多科幻(huan)小说(shuo)中。要(yao)想建(jian)造月地(di)“太(tai)空天梯(ti)”，就(jiu)要(yao)能找到一种能跨(kua)越38万公里距离且不(bu)被自身重量拉断(duan)的材料。作为(wei)迄今为(wei)止发现(xian)(xian)的力学性能最(zui)好的材料之一，碳(tan)纳米管有着极(ji)高的拉伸强度(du)，或(huo)(huo)将助力人们从地(di)球(qiu)(qiu)“爬向太(tai)空”。未来，人类进入太(tai)空或(huo)(huo)运(yun)送物资(zi)进入空间站(zhan)，或(huo)(huo)许(xu)就(jiu)能像乘坐电梯(ti)一样来去自如。

　　同样(yang)借助于碳纳(na)(na)米管独(du)特(te)的力(li)学特(te)性，研究人员正尝试研究制(zhi)造诸如“拉(la)不(bu)断”的绳子、“扯(che)不(bu)破”的纤(xian)维(wei)布和(he)“打(da)不(bu)透(tou)”的防(fang)弹衣等“黑(hei)科(ke)技”产品(pin)。风力(li)发电机使用(yong)(yong)的叶片，对(dui)材料(liao)的强度和(he)刚度要求极高，利(li)用(yong)(yong)碳纳(na)(na)米管纤(xian)维(wei)制(zhi)成(cheng)的增强复合材料(liao)将成(cheng)为最好(hao)的选择。碳纳(na)(na)米管纤(xian)维(wei)增强复合材料(liao)还具有极好(hao)的抗(kang)疲劳性，在(zai)桥(qiao)梁(liang)、建筑中(zhong)应用(yong)(yong)，不(bu)仅可以提高强度和(he)抗(kang)震能(neng)力(li)，还将延长其使用(yong)(yong)寿(shou)命(ming)。未来，包括高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍(pai)、自行车、汽车、高铁(tie)列车等，都可以选用(yong)(yong)碳纳(na)(na)米管材料(liao)。

　　把能量储存到碳(tan)纳米管中，类(lei)似“钢铁侠(xia)”一(yi)(yi)般(ban)的装(zhuang)备(bei)也(ye)将(jiang)成(cheng)为(wei)现实。目(mu)前(qian)，国外(wai)某实验室正牵头研(yan)发一(yi)(yi)种(zhong)能够对外(wai)提供(gong)(gong)电(dian)能的新(xin)型服装(zhuang)。这种(zhong)将(jiang)碳(tan)纳米管变成(cheng)纺织面料(liao)的服装(zhuang)，将(jiang)为(wei)战场上使用的照(zhao)明装(zhuang)置、夜视(shi)仪(yi)和通信设备(bei)等(deng)提供(gong)(gong)电(dian)力供(gong)(gong)应，势必进一(yi)(yi)步(bu)减轻单兵负担(dan)。

此外，有研究人(ren)员还(hai)通(tong)过合成碳纳(na)米管材料，研制出一种能灵敏感知(zhi)压力变化的(de)传感器织(zhi)物，可在运动训练领域(yu)发(fa)挥重(zhong)要作用(yong)。人(ren)们(men)还(hai)尝试将(jiang)碳纳(na)米管制成透明导电(dian)的(de)薄(bo)膜，用(yong)作触(chu)摸(mo)屏(ping)的(de)替代材料。

　　关于(yu)碳(tan)纳米管(guan)的未(wei)来应用还(hai)有许许多(duo)多(duo)。由(you)于(yu)特(te)殊的结构(gou)和介电性质(zhi)，碳(tan)纳米管(guan)表现出较强的宽带微(wei)波(bo)吸(xi)(xi)收(shou)性能，是一种有着光(guang)明前途(tu)的理想(xiang)(xiang)微(wei)波(bo)吸(xi)(xi)收(shou)剂，可(ke)用于(yu)隐身(shen)材(cai)料、电磁屏蔽材(cai)料或暗室(shi)吸(xi)(xi)波(bo)材(cai)料等。同时，研究人(ren)(ren)员畅想(xiang)(xiang)将碳(tan)纳米管(guan)制作成可(ke)注射入人(ren)(ren)体内的微(wei)型芯片(pian)，还(hai)计划将碳(tan)纳米管(guan)打造成能杀死人(ren)(ren)体内癌细胞(bao)的纳米机器(qi)人(ren)(ren)。

来源：中国军(jun)网