“全能纖維”碳納米管

檸檬夸克

2014年6月26日，《新聞聯播》節目少見地報道了一條科技新聞：我國科學家在新材料領域取得了世界級研究成果。北京大學李彥教授和她的課題組首次提出碳納米管生長規律的控制方法，這一成果發表在當日出版的權威學術期刊《自然》雜志上。

能上《新聞聯播》的，肯定是國內外大事！看來這位李教授的研究很了不起，可到底“了不起”在什么地方呢？碳納米管又是神馬東東？哈哈，兒童相見不相識，千萬別說你不認識它，它經常會在你的化學考卷里露一臉。

一個球和一個管的故事

碳納米管，顧名思義，由碳原子組成，它的大小是納米——也就是10-9米數量級，形狀呈管狀。區區四個字的名字，涵蓋了三個性質，這的確是一個好名字。不過，你知道嗎？碳納米管還有一個名字叫巴基管，這個名字聽上去可就土多了，它來源于一個人的名字，這個人叫做巴基·富勒。

巴基·富勒是一個建筑師，以設計未來時代的城市著稱。他的代表作艾波卡特坐落于美國佛羅里達州的迪斯尼世界度假區，是這個度假區內除迪斯尼外的第二座主題樂園——未來城市主題樂園。艾波卡特在1982年10月正式開幕，建筑的整體由一個巨大的網格球頂型包裹，周圍也都是同樣未來派風格的建筑。

在艾波卡特落成后的第3年，1985年，英國化學家哈羅德·克羅托和美國化學家理查德·斯莫利制備出了一種很特別的物質。這種物質的分子由60個碳原子組成，這60個碳原子組成一個足球的形狀。看上去和艾波卡特如此之像，再加上克羅托和斯莫利又是巴基·富勒的超級粉絲，于是這種新的物質被命名為富勒烯。在我國，也有人稱這種物質為巴基球或足球烯。

我們知道，碳是地球上最重要的元素之一。所有的生物，包括我們人類的身體里，都充滿了碳元素。化學家們為了研究碳和碳的化合物，專門開辟了有機化學這一重要的化學領域。化學家們很早就知道，純凈的碳有兩種不同的形態——金剛石和石墨，所謂金剛石，就是女士們手上戴著的閃閃發光的鉆石；而石墨，是一種黑黑的粉末，是鉛筆芯的主要材料。

看上去如此不同的兩樣東西，居然都是由碳組成的，可見碳的神奇！然而事情還沒有完，克羅托和斯莫利的工作帶給我們一種全新的認知，碳原子居然還能排列成這個樣子！

富勒烯的發現開闊了人們的視野，科學家們開始尋找碳的其他組合方式。功夫不負有心人，1991年，日本物理學家飯島澄男發現了管狀的富勒烯。既然球狀的叫巴基球，干脆管狀的就叫巴基管吧。這就是我們前面講到的碳納米管。在碳納米管中，每一個碳原子都和其他碳原子一起組成六邊形，所有的六邊形連接在一起，形成一個管狀結構。

制造碳納米管的最大難題

碳納米管是一種“超級材料”，它的強度是鋼材的300倍，而密度僅僅是鋼材的1/6，而且它還擁有良好的柔韌性，可以隨意拉伸，被譽為“全能纖維”。碳納米管有良好的導熱性和導電性，也許在不久的將來，它可以取代硅成為計算機芯片的主要材料。

雖然全能，可目前的碳納米管還只能在實驗室中拳打腳踢施展武藝。之所以會這樣，是因為想要制造一個碳納米管實在太困難了！前面那張圖里的碳納米管是一種完美的形狀，每個碳原子都和其他的碳原子組成六邊形。可是在實際制造碳納米管的過程中，可沒有那么完美了，五邊形、六邊形、七邊形……一個個長得都歪瓜裂棗。這些碳原子會隨機組成各種不同的組合，這些不確定的組合會嚴重影響碳納米管的性質！人們不知道如何來控制碳納米管的結構，從而得到性能穩定的成品。這個問題一直困擾了人們20多年。

李彥教授和她的課題組找到了一種很好的方法，可以控制碳納米管的結構，從而生產出完美的全部六邊形的碳納米管。這一發現，無疑為碳納米管的深度開發應用奠定了基礎。

“全能纖維”也有不少缺點

作為一種超級材料，碳納米管的應用，無疑能給我們的生活帶來很多的便利。不過它也有很多不好的地方。

首先，它能引起我們眼睛的不適，讓我們的皮膚過敏，如果我們吸入過多的碳納米管，還可能導致肺癌、塵肺等疾病。其次，它會引起水生生物的生長變慢，甚至死亡。再次，它的結構并不是十分穩定，它會吸附周圍的物質從而引起自身結構的改變，這些改變會不會產生一些有毒有害的物質，還需要進一步研究。

相信將來人們一定會想辦法改進碳納米管的性質，使它更多地造福人類。