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(jī)械學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碳納米管的抗拉強(qiáng)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(yùn)動防護(hù)品，比如足球運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，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?，F(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(jì)算機(jī)或量子計(jì)算機(jī)上取得重大的應(yīng)用。

微計(jì)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(shí)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(jī)

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(jì)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(shí)驗(yàn)室、邁向?qū)嵺`的新興技術(shù)中，碳納米管收音機(jī)被公認(rèn)為是碳納米管在微波領(lǐng)域中的一項(xiàng)成功范例，是一項(xiàng)了不起的工程壯舉。

碳納米管收音機(jī)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(jī)：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(jī)，就能用它收聽到中意的廣播節(jié)目。這種碳納米管收音機(jī)只相當(dāng)于人類首批商業(yè)化的收音機(jī)的1000億分之一。

傳統(tǒng)的收音機(jī)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(dú)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)有如下鮮明特點(diǎn)：具有更少的獨(dú)立部件；體積及尺寸極?。煌ㄟ^納米管的機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，這將導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物也可能有若干種?；瘜W(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(shí)驗(yàn)方法具有很大的局限性?，F(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(shí)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(xiàng)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(jī)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(jī)納米管的。事實(shí)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