碳納米管:“特立獨行”的神奇材料

2020-03-23 10:49朱晰然、張璦敏

  你知道世界上最“黑”的材料是什么嗎?近期,國外一所學院的研究人員利用碳納米管制造出一款材料,可吸收99.96%以上的入射光,堪稱材料家族中的“黑洞”。無獨有偶,同樣是碳納米管材料,研究人員利用超過1.4萬個碳納米管晶體管,制造出16位微處理器芯片,并向世界發出了“Hello, World”的信息。

  碳納米管,作為一種擁有特殊結構的一維量子材料,具備諸多超乎尋常的力學、電學、熱學等物理性能和化學性能。請看——

圖為碳納米管結構示意圖。供圖:劉程

性能優異的“材料之王”

  在碳納米管沒有出現在世人面前之前,硅是半導體家族中當之無愧的“王者”。現有每個晶體管的核心都是由硅制成的半導體組件。根據晶體管的“開啟”和“關閉”狀態,來顯示是否有電流通過,進而在計算機中呈現出1和0的“計算機語言”。只不過,硅晶體管目前在體積和性能上逐漸面臨發展瓶頸,人們于是將更多地目光集中到碳納米管等新興材料上。

  碳納米管又名巴基管,是一種由呈六邊形排列的碳原子構成的數層或數十層的同軸圓管,管的直徑一般為2到20納米。與頭發絲相比,碳納米管的直徑只有它的幾萬分之一,目前公開報道的最細碳納米管直徑為0.4納米。正是由于碳納米管幾乎只有原子那么厚,且可以很好地傳輸電流,人們才能用碳納米管制造出比硅更好的半導體。

  研究表明,碳納米管處理器的運行速度比硅處理器快2倍,功耗卻只有硅處理器的1/3,性能優異的新一代電子產品“王者”呼之欲出。

  事實上,碳納米管還有著許多堪稱“特立獨行”的神奇特性。作為迄今為止人類發現的力學性能最好的材料,碳納米管有著極高的拉伸強度、楊氏模量和斷裂應變。與型號ASTMA228的高強度鋼相比,碳納米管的強度是它的270倍,彈性約為它的5倍,密度卻只有它的1/6。

  此外,碳納米管在電學、熱學和光學等方面也有著超越傳統導電、導熱材料的優異表現。從理論上講,碳納米管的導電效率是硅的10倍,一旦碳納米管得到廣泛應用,“硅谷”可能就真的名不副實了。

“馴服”碳納米管尤為不易

  早在1985年,“足球”結構的富勒烯一經發現,立刻引來了全世界的目光。以“足球”結構為基礎,稍加改動,就可形成具有中空圓柱狀結構的碳納米管。1991年,日本研究人員首次在碳纖維中發現了碳納米管。隨后,研究人員又發現了碳納米管優異的導電性等諸多性能。目前,人們正在向著批量制備單根長度達到米級甚至公里級以上的碳納米管而努力。

  想要“馴服”碳納米管這一“材料之王”實屬不易。雖然碳納米管是一種半導體,但其目前的制造過程需要用到金屬,不可避免地會在成品材料中混入金屬雜質。同時,將碳納米管轉化為電子元器件,需要將納米管放置在極其精確的位置上。目前,人們還沒有掌握能讓碳納米管在特定位置生長的方法。碳納米管也對其“出生”的“產房”提出了極高要求:一旦環境溫度過高致使催化劑失去活性,碳納米管就會停止“生長”;相反,如果控制上稍有差池,碳納米管又會“瘋狂地生長”。

  事實上,早在2013年,有關研究人員就制造出了擁有178個晶體管的第一臺碳納米管計算機,其中每個晶體管包含大約10到200納米長的碳納米管。如今,已有直徑約為1微米的碳納米管計算機晶體管研制成功,每秒能開關約100萬次。此外,研究人員還發現碳納米管有著優異的儲氫性能,有望成為氫能電池的制造材料,可廣泛應用于電動車、潛艇、電力機車等領域。

  人們還計劃將千千萬萬根碳納米管擰在一起組成宏觀纖維,這種被稱為“終極纖維”的碳納米管纖維,將對21世紀高端科技發展具有重大戰略意義。一旦人們在“馴服”碳納米管領域取得突破,一場由碳納米管發端的科技革命即將“引爆”全球。

應用前景或將改變世界

  在地球和月球或太空基地之間搭建一座“太空天梯”,這一場景曾出現在包括《三體》在內的諸多科幻小說中。要想建造月地“太空天梯”,就要能找到一種能跨越38萬公里距離且不被自身重量拉斷的材料。作為迄今為止發現的力學性能最好的材料之一,碳納米管有著極高的拉伸強度,或將助力人們從地球“爬向太空”。未來,人類進入太空或運送物資進入空間站,或許就能像乘坐電梯一樣來去自如。

  同樣借助于碳納米管獨特的力學特性,研究人員正嘗試研究制造諸如“拉不斷”的繩子、“扯不破”的纖維布和“打不透”的防彈衣等“黑科技”產品。風力發電機使用的葉片,對材料的強度和剛度要求極高,利用碳納米管纖維制成的增強復合材料將成為最好的選擇。碳納米管纖維增強復合材料還具有極好的抗疲勞性,在橋梁、建筑中應用,不僅可以提高強度和抗震能力,還將延長其使用壽命。未來,包括高爾夫球桿、釣魚竿、網球拍、自行車、汽車、高鐵列車等,都可以選用碳納米管材料。

  把能量儲存到碳納米管中,類似“鋼鐵俠”一般的裝備也將成為現實。目前,國外某實驗室正牽頭研發一種能夠對外提供電能的新型服裝。這種將碳納米管變成紡織面料的服裝,將為戰場上使用的照明裝置、夜視儀和通信設備等提供電力供應,勢必進一步減輕單兵負擔。

此外,有研究人員還通過合成碳納米管材料,研制出一種能靈敏感知壓力變化的傳感器織物,可在運動訓練領域發揮重要作用。人們還嘗試將碳納米管制成透明導電的薄膜,用作觸摸屏的替代材料。

  關于碳納米管的未來應用還有許許多多。由于特殊的結構和介電性質,碳納米管表現出較強的寬帶微波吸收性能,是一種有著光明前途的理想微波吸收劑,可用于隱身材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。同時,研究人員暢想將碳納米管制作成可注射入人體內的微型芯片,還計劃將碳納米管打造成能殺死人體內癌細胞的納米機器人。

來源:中國軍網

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