日新月異的碳納米管

劉根林　沈海軍

人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識一直孜孜不倦地朝著宏觀和微觀兩個方向延伸：一方面，人們正利用火箭、飛船等航天器探索浩瀚的宇宙：另一方面，則又通過顯微鏡、微加工技術(shù)等手段觀察和研究著身邊的微觀世界。在微觀方而，納米科技正如火如荼，并孕育著人類科技發(fā)展的新一輪產(chǎn)業(yè)革命。

神奇的碳納米管

上世紀(jì)90年代初，作為納米材料科學(xué)中的主角之一，碳納米管一經(jīng)出現(xiàn)，立即引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，并迅速在諸多領(lǐng)域中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

力學(xué)與機械學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管的抗拉強度和韌性在目前所有的材料中是最高的。如果把它添加到普通的金屬和塑料中，用這種材料織成線，做成運動防護(hù)品，比如足球運動員的護(hù)腿，那綠茵場上就不會傷情不斷了；將碳納米管加入樹脂中，可制備出韌性、強度等力學(xué)性能優(yōu)越的復(fù)合材料；異想天開的人們，甚至還勾畫出這樣一幅藍(lán)圖：用碳納米管做成“天梯”直達(dá)月球。

微電子學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管的導(dǎo)電性可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體性的，甚至在同一根碳納米管的不同部位也有不同的導(dǎo)電性。將金屬性碳納米管與硅納米線對接，這種金屬一半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有二極管的整流作用；碳納米管在不同的氣體環(huán)境下，其電阻會發(fā)生改變。根據(jù)這一現(xiàn)象，有可能把碳納米管用作體積很小而靈敏度極高的化學(xué)傳感器。

材料學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管的寬帶微波吸收性能優(yōu)良，具有重量輕、導(dǎo)電性可調(diào)變、高溫抗氧化性能強和穩(wěn)定性好等特點，可用于制作特殊用途的隱形材料、電磁屏蔽材料和微波暗室吸波材料；碳納米管中空的結(jié)構(gòu)，可以作為“儲存”氫氣的容器，被其儲存起來的氫氣密度，甚至比液體或固態(tài)氫的密度還高。

化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管的比表面積(材料外表面與材料質(zhì)量之比)很大，氣體通過碳納米管的擴(kuò)散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒的上千倍，催化劑吸附在碳納米管管壁后其活性和選擇性大大提高：利用中空的碳納米管作“模板”，在其內(nèi)部填充金屬或非金屬原子，可制備出非常細(xì)的金屬或非金屬原子納米線。現(xiàn)在，化學(xué)家們正利用這種方法，制備出銀、金等納米線，而這種納米線極有可能在未來的納米計算機或量子計算機上取得重大的應(yīng)用。

微計量學(xué)家發(fā)現(xiàn)，用碳納米管作為掃描隧道顯微鏡的探針，可實現(xiàn)單個原子或分子的識別，甚至可以操縱它們……

最小的收音機

每年，美國《技術(shù)評論》雜志都會評出前一年度的10大新興技術(shù)，并預(yù)計這些技術(shù)將在未來幾年對我們的生活和社會產(chǎn)生重大影響。在2008年評選出的這些即將走出實驗室、邁向?qū)嵺`的新興技術(shù)中，碳納米管收音機被公認(rèn)為是碳納米管在微波領(lǐng)域中的一項成功范例，是一項了不起的工程壯舉。

碳納米管收音機是美國加州大學(xué)物理學(xué)家澤托教授于2007年研制的。這是迄今為止世界上最小的收音機：它的核心部分由單一的碳納米管構(gòu)成，人們加上電池和耳機，就能用它收聽到中意的廣播節(jié)目。這種碳納米管收音機只相當(dāng)于人類首批商業(yè)化的收音機的1000億分之一。

傳統(tǒng)的收音機一般由天線、調(diào)諧器、放大器、解調(diào)器和喇叭等幾個相互獨立的部件組成，其工作原理大致如下：天線通過電諧振接收廣播電臺的電磁波；然后，調(diào)諧器將高頻的電磁波信號轉(zhuǎn)化為帶有聲音信息的低頻信號；接著，低頻信號經(jīng)放大器放大，加至喇叭，就可以得到美妙的聲音。在碳納米管收音機中，碳納米管集天線、調(diào)諧器、放大器和解調(diào)器功能于一身。

納米收音機的碳納米管被置于真空管中，并將一端固定在電池的負(fù)極上。碳納米管的另一端(即自由端)和電池正極之間留有納米量級的間隙。如果電極間的電壓足夠高，正極能將碳納米管自由端的電子“奪”過來，當(dāng)廣播電臺的無線電信號經(jīng)過該碳納米管收音機時，其產(chǎn)生的電場將不斷“推”和“拉”納米管的自由端，也就是碳納米管隨無線電信號發(fā)生共振，利用這種共振現(xiàn)象及回路中相應(yīng)的電流變化就可以探測到無線電信號。同時，回路中受無線電信號感應(yīng)得到的高頻交變電流信號經(jīng)碳納米管“調(diào)諧”、“放大”和“解調(diào)”后，便會轉(zhuǎn)化為攜帶聲音信息的低頻信號，進(jìn)而通過喇叭等播出聲音。

通過上述對比可以發(fā)現(xiàn)，碳納米管收音機有如下鮮明特點：具有更少的獨立部件；體積及尺寸極小；通過納米管的機械振動來接收電磁波，就像彈動吉它的弦一樣，而非傳統(tǒng)天線的電諧振。

澤托教授稱，雖然目前納米收音機還只是設(shè)定成無線電接收器，但它也可以改裝成無線電發(fā)射器。

碳納米管收音機雖小，卻具有深遠(yuǎn)的影響，它使得將其他無線電部件縮小到納米尺度成為可能，并最終帶來“真正整合的納米無線傳輸系統(tǒng)”。納米發(fā)射器可應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)和其他多種用途。比如，附在微型化學(xué)傳感器上的納米無線裝置，可植入患有糖尿病或其他疾病的病人血管內(nèi)。如果傳感器探測到一種不正常的胰島素水平或其他一些目標(biāo)化合物，發(fā)射器可將相關(guān)信息傳送給一個探測器，或者甚至可能是一個可釋放胰島素或其他治療藥物的植入式膠囊。

管中化學(xué)

自從誕生之日起，碳納米管幾乎理想的一維納米中空腔就引起了化學(xué)家們的濃厚興趣，開口碳納米管的中空管腔已經(jīng)被預(yù)言可作為納米試管、虹吸管、緩釋藥物的載體、儲能材料等，進(jìn)而產(chǎn)生了一個新的納米化學(xué)學(xué)科分支——“管中化學(xué)”，應(yīng)用于包括分子定向反應(yīng)、緩釋藥物的載體等方面。

先看分子定向反應(yīng)。

做化學(xué)實驗時，最常見的情形就是將兩種溶液在玻璃試管中混合，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。然而，某些情況下，反應(yīng)物分子表面可能存在若干個化學(xué)活性點，這將導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物也可能有若干種。化學(xué)家要從分子層次上認(rèn)識并有效控制某種特定的反應(yīng)，顯然，傳統(tǒng)實驗方法具有很大的局限性。現(xiàn)在，一些化學(xué)家已經(jīng)開始用碳納米管作為試管，嘗試進(jìn)行分子的定向反應(yīng)。

為什么利用碳納米試管可以進(jìn)行分子的定向反應(yīng)呢?

這主要是由碳管內(nèi)部管腔微小的體積決定的。由于納米管內(nèi)空間極其有限，各分子進(jìn)入其中后，受管壁約束，只能保持某種特定的“姿態(tài)”，這正好為分子間的定向反應(yīng)提供了很好的條件。

在研制緩釋藥物的載體方面，碳納米管也是極為理想的載體。

人體是一個不斷循環(huán)的代謝系統(tǒng)。當(dāng)人們生病時，難免要吃藥。然而，多數(shù)情況下，只有一小部分藥物的有效成分被人體吸收，絕大部分有效成分，人體都還沒有來得及吸收，就已經(jīng)被分解、循環(huán)、排泄掉。尋找藥效持久的緩釋藥物一直是無數(shù)醫(yī)學(xué)工作者的夢想。由于碳納米管對生物無毒性，中空，且穩(wěn)定性好，因此，作為緩釋藥物的載體，被許多研究者看好。事實上，即使一些非常普通的藥物，一旦裝入碳納米管，由于裝載的藥物只能從碳管的兩個開口端釋放，同樣可以達(dá)到“藥物緩慢釋放，藥效持久”的目的。最近，筆者的一項研究表明，目前的單壁碳納米管非常適合裝載鴉片類戒毒藥物——美沙酮。也就是說，裝載美沙酮后的碳納米管極有可能成為一種新型的戒毒緩釋藥物。

碳納米管還可制作超微吸管。

前不久，日本的一個研究小組開發(fā)出了一種裝備有機納米管的超微吸管。能噴出萬億分之一毫升的液體。據(jù)報道，該納米管由碳、氧、氮和氫分子構(gòu)成，內(nèi)徑50納米。它可以裝在內(nèi)徑1800納米的玻璃微吸管尖端上，組成一個超微吸管。通過施加電壓，吸管內(nèi)的液體就會噴射出來，噴射量可通過調(diào)整電壓控制，其精度比以往的微吸管提高了上萬倍。

上述報道是關(guān)于某有機納米管的。事實上，從理論上講，碳納米管也完全可以用來制作類似的超微吸管。這些超微吸管可望應(yīng)用于醫(yī)療和生物領(lǐng)域，比如向單個細(xì)胞內(nèi)注入極其微量的物質(zhì)或吸取細(xì)胞成分等。

(文章代碼：1507)

[責(zé)任編輯]趙菲