碳纳米管:“特立独行”的神奇材料
来源:第一元素   日期:2020-02-28   浏览:385

你知道世界上最“黑”的材料是什么吗?近期,国外一所学院的研究人员利用碳纳米管制造出一款材料,可吸收99.96%以上的入射光,堪称材料家族中的“黑洞”。无独有偶,同样是碳纳米管材料,研究人员利用超过1.4万个碳纳米管晶体管,制造出16位微处理器芯片,并向世界发出了“Hello, World”的信息。

碳纳米管,作为一种拥有特殊结构的一维量子材料,具备诸多超乎寻常的力学、电学、热学等物理性能和化学性能。请看——

性能优异的“材料之*王”

在碳纳米管没有出现在世人面前之前,硅是半导体家族中当之无愧的“王*者”。现有每个晶体管的核心都是由硅制成的半导体组件。根据晶体管的“开启”和“关闭”状态,来显示是否有电流通过,进而在计算机中呈现出1和0的“计算机语言”。只不过,硅晶体管目前在体积和性能上逐渐面临发展瓶颈,人们于是将更多地目光集中到碳纳米管等新兴材料上。

碳纳米管又名巴基管,是一种由呈六边形排列的碳原子构成的数层或数十层的同轴圆管,管的直径一般为2到20纳米。与头发丝相比,碳纳米管的直径只有它的几万分之一,目前公开报道的最细碳纳米管直径为0.4纳米。正是由于碳纳米管几乎只有原子那么厚,且可以很好地传输电流,人们才能用碳纳米管制造出比硅更好的半导体。

研究表明,碳纳米管处理器的运行速度比硅处理器快2倍,功耗却只有硅处理器的1/3,性能优异的新一代电子产品“王*者”呼之欲出。

事实上,碳纳米管还有着许多堪称“特立独行”的神奇特性。作为迄今为止人类发现的力学性能更好的材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变。与型号ASTMA228的高强度钢相比,碳纳米管的强度是它的270倍,弹性约为它的5倍,密度却只有它的1/6。

此外,碳纳米管在电学、热学和光学等方面也有着超越传统导电、导热材料的优异表现。从理论上讲,碳纳米管的导电效率是硅的10倍,一旦碳纳米管得到广泛应用,“硅谷”可能就真的名不副实了。

“驯服”碳纳米管尤为不易

早在1985年,“足球”结构的富勒烯一经发现,立刻引来了全世界的目光。以“足球”结构为基础,稍加改动,就可形成具有中空圆柱状结构的碳纳米管。1991年,日本研究人员首次在碳纤维中发现了碳纳米管。随后,研究人员又发现了碳纳米管优异的导电性等诸多性能。目前,人们正在向着批量制备单根长度达到米级甚至公里级以上的碳纳米管而努力。

想要“驯服”碳纳米管这一“材料之*王”实属不易。虽然碳纳米管是一种半导体,但其目前的制造过程需要用到金属,不可避免地会在成品材料中混入金属杂质。同时,将碳纳米管转化为电子元器件,需要将纳米管放置在极其精确的位置上。目前,人们还没有掌握能让碳纳米管在特定位置生长的方法。碳纳米管也对其“出生”的“产房”提出了极高要求:一旦环境温度过高致使催化剂失去活性,碳纳米管就会停止“生长”;相反,如果控制上稍有差池,碳纳米管又会“疯狂地生长”。

事实上,早在2013年,有关研究人员就制造出了拥有178个晶体管的第一台碳纳米管计算机,其中每个晶体管包含大约10到200纳米长的碳纳米管。如今,已有直径约为1微米的碳纳米管计算机晶体管研制成功,每秒能开关约100万次。此外,研究人员还发现碳纳米管有着优异的储氢性能,有望成为氢能电池的制造材料,可广泛应用于电动车、潜艇、电力机车等领域。

人们还计划将千千万万根碳纳米管拧在一起组成宏观纤维,这种被称为“终*极纤维”的碳纳米管纤维,将对21世纪高端科技发展具有重大战略意义。一旦人们在“驯服”碳纳米管领域取得突破,一场由碳纳米管发端的科技革命即将“引爆”全球。

应用前景或将改变世界

在地球和月球或太空基地之间搭建一座“太空天梯”,这一场景曾出现在包括《三体》在内的诸多科幻小说中。要想建造月地“太空天梯”,就要能找到一种能跨越38万公里距离且不被自身重量拉断的材料。作为迄今为止发现的力学性能更好的材料之一,碳纳米管有着极高的拉伸强度,或将助力人们从地球“爬向太空”。未来,人类进入太空或运送物资进入空间站,或许就能像乘坐电梯一样来去自如。

同样借助于碳纳米管独特的力学特性,研究人员正尝试研究制造诸如“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布和“打不透”的防弹衣等“黑科技”产品。风力发电机使用的叶片,对材料的强度和刚度要求极高,利用碳纳米管纤维制成的增强复合材料将成为更好的选择。碳纳米管纤维增强复合材料还具有极好的抗疲劳性,在桥梁、建筑中应用,不仅可以提高强度和抗震能力,还将延长其使用寿命。未来,包括高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍、自行车、汽车、高铁列车等,都可以选用碳纳米管材料。

把能量储存到碳纳米管中,类似“钢铁侠”一般的装备也将成为现实。目前,国外某实验室正牵头研发一种能够对外提供电能的新型服装。这种将碳纳米管变成纺织面料的服装,将为战场上使用的照明装置、夜视仪和通信设备等提供电力供应,势必进一步减轻单兵负担。

此外,有研究人员还通过合成碳纳米管材料,研制出一种能灵敏感知压力变化的传感器织物,可在运动训练领域发挥重要作用。人们还尝试将碳纳米管制成透明导电的薄膜,用作触摸屏的替代材料。

关于碳纳米管的未来应用还有许许多多。由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能,是一种有着光明前途的理想微波吸收剂,可用于隐身材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。同时,研究人员畅想将碳纳米管制作成可注射入人体内的微型芯片,还计划将碳纳米管打造成能杀死人体内癌细胞的纳米机器人。

图为碳纳米管结构示意图。

供图:刘 程

来源:中国军网