神奇寶貝 納米碳管

納米碳管是指將碳六角網面卷成封閉無縫筒狀結構的物質，其直徑從亞納米到50納米左右（1納米=10－9米），中間有稱之布基管的空管。納米大小很難有實感，如果將直徑1納米的球代之1厘米的玻璃球，則直徑1米的鈉米球幾乎相當于地球這么大（直徑約12 800千米）。

物質特性奇怪

納米碳管的形狀是獨特的，而且其優異的性質更是讓世界大吃一驚。例如納米碳管根據直徑的大小或碳原子的排列方式（嚴格地講是指碳原子的螺旋角度與方向）不同，它會成為良導體的“金屬”或者具有一點點導電性的“半導體”。這是非常不可思議的。而銅之類金屬無論何時總是金屬，普通的橡膠總是不導電的“絕緣體”。另一方面，納米碳管僅由碳構成，卻有時是金屬，有時是半導體，通常物質是不會具有這種特性的。

目前，科學家已經利用納米碳管這種優異的電氣性質制造出了場效應晶體，實現了比原來硅晶體更好的性能。所謂晶體管是可用于信號放大或開關等的元件，能夠將多個半導體組合在一起制造。如果利用極細的納米碳管，最終能實現單個電子都能加以控制的晶體管。科學家預測將來用它代替硅，或許能實現皆用碳基底的集成電路，可以考慮將納米碳管用于晶體管或布線，襯底用散熱效果好的鉆石。

強過鋼鐵80倍

目前對于金屬的納米碳管與半導體的納米碳管的制造原理可以說還不清楚。但是，如果想要其中的一種，只需從混雜在納米碳管中分離出需要的一方。例如，讓金屬與半導體混雜的納米碳管集體流過充分的電流，金屬的納米碳管因電阻發熱燒著了，剩下的當然可以說是半導體的納米碳管。

為了實現碳基礎的電子學，還有很多課題有待研究。例如像用微細加工技術制造硅超大規模集成電路那樣，欲井然有序地排列納米碳管在現在還很困難。碳對電子學領域的應用是塊好材料，但是碳基底集成電路的實現還必須要有很大的突破才行。

納米碳管不單是強度大，還有出色的彈性，即使彎曲60度左右還能復原。根據這樣的性質，可以制造出強度更大的復合材料。

納米探針“眼睛”

作為觀察原子的高技術顯微鏡之一的掃描型探針顯微鏡，考慮用納米碳管做該顯微鏡的“眼睛”，將納米級的探針最大限度地靠近試樣表面，感知作用在試樣與探針之間原子間的力或微弱電流，查明試樣表面原子級的凹凸程度。顯然，探針越細越尖，顯微鏡的精度越高。納米碳管是納米尺寸，非常細且強度高，因為還有彈性，與目前正在使用的硅探針相比，具有難以損壞的長壽命。用納米碳管作為納米世界的“眼睛”，甚至可以觀測蛋白質的微細結構。

開拓碳的世界

所謂碳是相當于用作有機物分子骨骼的元素，是我們身邊常見的一個元素。木炭或煤煙子，鉛筆的芯（石墨），再者制造鉆石也是碳原子。納米碳管用肉眼看從外觀上似乎沒有一點出奇之處，但是在顯微鏡下你會發現它們是針狀的物體。

納米碳管自問世以來就成為高科技的代名詞。但是乍一看納米碳管的實物感到很掃興，因為怎么也感覺不到高科技的氣氛。實際上，正是這個外表，長時間隱藏著納米碳管的秘密，由于納米碳管隱藏在煤煙子中也推遲了發現。

在談及納米碳管發現史時還要提到另一個重大發現，那就是籠球狀的碳分子C60的發現。C60是由60個碳原子構成的分子，在20個碳六元環網絡中引入12個五元環就可得到與足球形狀一模一樣的封閉籠球。正二十面體的各頂點由60個碳原子占據的足球狀C60是富勒烯的代表性分子，也稱布基球。富勒烯在碳蒸發、凝縮，含碳物質燃燒等過程中生成，但主要由電弧放電或激光蒸發法制造。除了C60外，還發現C70，C76，C78，C82，C84，C96等高次富勒烯也能穩定地存在。

C60是1985年被發現，此前所知的所謂碳結晶僅是由碳原子平面狀連接的石墨與碳原子排列成正四面體狀的鉆石，碳的第三種形態C60的發現可謂是里程碑式的。正因如此，對富勒烯做出貢獻的三位科學家共獲1996年諾貝爾化學獎。

順便指出，富勒烯在其內部有可充分容納的原子空間，能將鈧、釔、鑭等稀土類金屬，堿金屬，稀有氣體等原子包含其中。例如將鐵的微粒子放入納米碳盒中，構成非常小的磁鐵，可用于磁記錄的介質。

總之，以1985年C60的發現為契機，相繼發現了納米碳管、納米碳盒等過去從未見過的新物質，大大開拓了碳的世界。

顯示器能耗低

納米碳管的研究中，最引人注目的是它在低功耗平板電視上的應用，納米碳管在顯示器中作為電子槍使用。一旦在納米碳管上施加電壓，電子從其前端像槍彈似地射出，這是所謂的“場致發射”現象。如果這個電子撞上涂在玻璃屏上的熒光涂料，熒光涂料就會發光。一般在金屬的尖端，容易引起場致發射，用低的電壓即可使電子射出。多次實驗論證，用極細且強度高的納米碳管作電子槍是最好的材料。世界上率先開發出以納米碳管為電子槍的熒光管，首先是將多個這樣的熒光管排列，組成非常亮的電光告示牌。

利用納米碳管不單是作為平板電視顯示器已被產品化，還用作等離子顯示器。紅綠藍是光的三原色，三原色的不同組合可以制造所有的顏色。等離子顯示器的原理基本上與熒光燈一樣，通過在氣體中放電產生紫外線，紫外線再射到玻璃屏內側涂有紅綠藍的熒光體上使其發光，圖像被顯示出來。簡單地說，等離子顯示器是許多個微小熒光燈排列構成的畫面。

等離子顯示器可以顯示清晰的圖像，使大畫面成為可能。由于比一般家庭普及的電視機更薄，所以非常受歡迎。缺點是等離子顯示器消耗功率大。據估算，75厘米高清晰電視，若用等離子顯示器消耗功率是240瓦左右，用納米碳管只需6.8瓦左右。

納米管電子槍

納米碳管作為電子槍使用的平板電視顯示器稱之納米碳管場致發射顯示器，其原理基本上與我們熟悉的普通電視機顯像管一樣，只是普通顯像管為了使畫面放大，致使電視機主體務必要有一定的厚度。

而納米碳管場致發射顯示器的情形，每一個微小像素配置的納米碳管電子槍，因被安裝在緊靠畫面后方的陰極，所以能夠薄型化。再者，納米碳管的電子槍低壓發射電子，所以消耗功率低，又因可以快速應答，所以不會出現余像。

關于納米碳管場致發射顯示器，今后的一個課題是納米碳管的電子發射如何能夠均勻分布在整個畫面，使整個畫面亮度相同。

另外，若能以更低電壓發射電子也是很重要的，如果在80伏以下，則顯示器元件就可使用現有便宜的低壓用集成電路，從而降低顯示器整體的成本。

對于研究人員而言，下一步將探討如何拓寬碳基底集成電路或納米機械的應用，人們通過這些出自常見碳的新材料看到了高科技所顯示的巨大威力。或許除了碳以外，在我們身邊還隱藏著其他新材料。

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