飯島澄男與碳納米管

在美劇《絕命毒師》里有一個片段，化學老師懷特先生給高中生講有機化學時總結道：“當你感到不知所措時，你只要記住一個元素——碳。碳是一切的關鍵。”在人類目前所探索到的宇宙中，碳元素無處不在。如果要講碳元素的前世今生，恐怕一本大部頭的書也不能講盡。在廣闊的碳材料世界中，有一種一維納米材料——碳納米管。由于獨特的結構和優異的性能，它成了材料科學家們爭相研究的對象。

日本科學家飯島澄男教授是碳納米管的發現者，他的故事有趣且鼓舞人心。

1991年，52歲的飯島澄男幾乎每天都在他的設備上忙碌到半夜。這臺名為TEM（Transmission Electron Microscope，透射電子顯微鏡）的機器，高近3米，身形巨大且功能復雜。它能將電子加速到極高的速度，讓電子穿過極薄的樣品，樣品的微觀結構就投射到下方的底片上，從而留下了一張原子級的照片。要保證這臺“原子照相機”的正常運行，需要給它施加20萬伏特的電壓。這不是《寵物小精靈》里那擁有絕殺技能的皮卡丘在放電，這可是實實在在的高密度電能。即使是20世紀末，在經濟鼎盛的日本，如此高精尖的設備也屈指可數。

27歲從日本東北大學畢業后，飯島澄男這個靦腆的理學博士就開始與TEM打交道。他兢兢業業地在物質的微觀世界里鉆研，一晃25年過去了。總體來說，飯島是一個工作努力、勤奮刻苦的人，而且在金原子觀測等領域還取得了不錯的研究成果。然而，那時候的飯島卻是位不折不扣的“倒霉蛋”。為什么這么說呢？因為他與諾貝爾獎擦肩而過！

讓我們把時間調至1985年。英國人哈羅德·克羅托和美國人理查德·斯莫利，在權威學術雜志《自然》上發表了一篇文章，報告他們制備了一種碳的“小球”，由60個碳原子組成。他們覺得這個結構同建筑師巴克明斯特·富勒的作品很相似，就將其命名為“巴克明斯特·富勒烯”，簡稱為富勒烯。

富勒烯一經發現，立刻在學界引起了轟動。在此之前，碳的同素異形體只有石墨、鉆石、無定形碳（如炭黑和活性炭）三種，富勒烯是碳的第四種存在形式。更為重要的是，富勒烯呈現出完美的球形結構，表現出了很多獨特的化學和物理性質，具有極大的應用潛力。人們感嘆于富勒烯的美麗與神奇，因此不斷有人說其發現者的貢獻值得一枚諾貝爾獎章。事實也正如人所料，1996年，克羅托和斯莫利共同獲得了諾貝爾化學獎。

然而，當飯島看到克羅托和斯莫利的論文時，心里卻是五味雜陳。因為他早就觀察到這種“碳小球”了！早在5年之前的1980年，飯島就通過TEM看到了一種碳的同心圓結構。依據他的描述，這種結構就像切開的洋蔥。但因為用TEM只能觀察到微觀結構的平面投影，所以當時他沒想到這可能是個球體。直至看到發現富勒烯的論文，他才意識到，當時自己觀察到的就是幾層嵌套在一起的富勒烯！

科學研究就是如此殘酷，一不留神，一個重要的發現就與你擦肩而過。

知道錯過富勒烯后，飯島并沒有灰心，仍然日復一日地在TEM下觀察著。命運待勤勉者終歸不薄。可不，又一個機會悄然來到。

1991年1月的一天，飯島用高壓電弧處理了一些碳，并試圖觀察這些樣品的納米結構。這時，一種熟悉的結構又出現在了他的視線里，不過這種結構不是“切開的洋蔥”，而是一根中空的“管子”。有了錯失發現富勒烯的慘痛經歷，這一次，飯島可不會再簡單地把這根“管子”當成某種平面的結構了。他立刻用獲取的二維數據合成了一個三維模型，并做出推斷：這是碳的中空管結構。隨后，飯島馬上對這種結構開展了更深入的考察，包括管的直徑、管層的原子組成，以及這種管結構的生長原理等。

在經過了10個月的細致鉆研后，飯島將他的研究成果發表了出來，向世界展示了這種材料——碳納米管。飯島澄男也順理成章地成為了“碳納米管之父”。

碳納米管一躍成為學術界的新寵。世界各地的科學家開始展開相關研究，為我們展示了這種新材料的更多神奇之處。其中備受矚目的，就是碳納米管的電學性質。

一根碳納米管，你可以把它想象成是將一大塊由碳原子組成的平面卷起來而形成的，就如同把一張紙卷成紙筒那樣。而將這塊碳平面卷起來的方式決定了最終產生的碳納米管的性能。假設你手中有一張紙，你可以沿著邊的平行線（圖a）、沿著對角線（圖b）或是其他方式（圖c）把它卷起來。如果將碳平面沿著與邊平行的線卷，就得到了“鋸齒型”碳納米管。它會表現出類似半導體的性質，此種碳納米管有希望取代傳統的硅材料，應用在芯片中。如果沿著對角線卷，所得到的碳納米管被稱為“扶手椅型”。電子在其中傳輸時不會發生散射，如同從大炮中發射的炮彈一般。這類型的碳納米管具有極高的導電性（比銅高10 000倍）。至于用其他方式卷得的碳納米管，被命名為“螺旋型”，其導電性介于前兩者之間。

除了導電性，看似纖細的碳納米管，實則有著極高的力學強度。理論上，完美的碳納米管抗拉強度是鋼的100倍，但密度卻只有鋼的1/6。如此優異的特性當然會給科學家帶來無限的遐想。人類進入航天時代以來，就一直夢想著可以建造一架太空電梯，從地面直達太空，而這種太空電梯需要極高強度的纜繩來進行牽引。目前，碳納米管是已知的唯一可用作太空電梯纜繩的材料。當然，為了實現這樣的美夢，我們還有很長的路要走。目前實驗室中得到的碳納米管，長度大都在微米級別。我們不可能靠著一根如此短的管子去構建穿破大氣層的太空電梯。于是，當務之急便是想辦法將碳納米管做長。目前采用最廣泛的生產碳納米管的方法是催化法。這種方法的思路類似于種菜：首先，選用尺寸微小的催化劑作為“種子”，在特定條件下讓含碳的原料與催化劑進行反應，如同給種子施加肥料。如此這般，催化劑可以將原料中的碳原子提取出來，并重新排列成碳納米管。催化劑的優劣、含碳原料的選取、生產條件的精確控制，多種復雜的因素制約著碳納米管的質量與長度。

好消息是，中國科學家在碳納米管生長這一研究領域已有不俗的表現。2009年，我國成功制備出單根長度超過18.5厘米的超長碳納米管。僅僅4年之后，清華大學的研究團隊又將這一紀錄提高到了55厘米。如果把這根碳納米管的直徑放大到頭發絲的尺寸，那么它的長度將有25千米，可以環繞標準操場60多圈。

如今，年近八十的飯島教授仍然活躍在科學研究的第一線。滿頭銀發的他仍然和他的老伙伴TEM一起，奮力探索著微觀世界的奧秘。

最后還有一個小彩蛋：1976年，有兩位法國科學家研究發現，通過分解苯能得到一種“纖維狀”的碳。不過當時他們對于這一發現并不在意，只是隨便地將成果發表在一個影響力不大的期刊上。如果我們今天重新審視這篇論文，就會發現當年他們觀察到的就是——碳納米管。