你知道世界上最“黑”的材料是什么嗎？近期，國(guó)外一所學(xué)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(dú)有偶，同樣是碳納米管材料，研究人員利用超過1.4萬個(gè)碳納米管晶體管，制造出16位微處理器芯片，并向世界發(fā)出了“Hello, World”的信息。

碳納米管，作為一種擁有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，具備諸多超乎尋常的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等物理性能和化學(xué)性能。請(qǐng)看——

性能優(yōu)異的“材料之王”

在碳納米管沒有出現(xiàn)在世人面前之前，硅是半導(dǎo)體家族中當(dāng)之無愧的“王者”。現(xiàn)有每個(gè)晶體管的核心都是由硅制成的半導(dǎo)體組件。根據(jù)晶體管的“開啟”和“關(guān)閉”狀態(tài)，來顯示是否有電流通過，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn)出1和0的“計(jì)算機(jī)語言”。只不過，硅晶體管目前在體積和性能上逐漸面臨發(fā)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(gòu)成的數(shù)層或數(shù)十層的同軸圓管，管的直徑一般為2到20納米。與頭發(fā)絲相比，碳納米管的直徑只有它的幾萬分之一，目前公開報(bào)道的最細(xì)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(dǎo)體。

研究表明，碳納米管處理器的運(yùn)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(yōu)異的新一代電子產(chǎn)品“王者”呼之欲出。

事實(shí)上，碳納米管還有著許多堪稱“特立獨(dú)行”的神奇特性。作為迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料，碳納米管有著極高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂應(yīng)變。與型號(hào)ASTMA228的高強(qiáng)度鋼相比，碳納米管的強(qiáng)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(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等方面也有著超越傳統(tǒng)導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料的優(yōu)異表現(xiàn)。從理論上講，碳納米管的導(dǎo)電效率是硅的10倍，一旦碳納米管得到廣泛應(yīng)用，“硅谷”可能就真的名不副實(shí)了。

“馴服”碳納米管尤為不易

早在1985年，“足球”結(jié)構(gòu)的富勒烯一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立刻引來了全世界的目光。以“足球”結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，稍加改動(dòng)，就可形成具有中空?qǐng)A柱狀結(jié)構(gòu)的碳納米管。1991年，日本研究人員首次在碳纖維中發(fā)現(xiàn)了碳納米管。隨后，研究人員又發(fā)現(xiàn)了碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性等諸多性能。目前，人們正在向著批量制備單根長(zhǎng)度達(dá)到米級(jí)甚至公里級(jí)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(shí)屬不易。雖然碳納米管是一種半導(dǎo)體，但其目前的制造過程需要用到金屬，不可避免地會(huì)在成品材料中混入金屬雜質(zhì)。同時(shí)，將碳納米管轉(zhuǎn)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(zhǎng)的方法。碳納米管也對(duì)其“出生”的“產(chǎn)房”提出了極高要求：一旦環(huán)境溫度過高致使催化劑失去活性，碳納米管就會(huì)停止“生長(zhǎng)”；相反，如果控制上稍有差池，碳納米管又會(huì)“瘋狂地生長(zhǎng)”。

事實(shí)上，早在2013年，有關(guān)研究人員就制造出了擁有178個(gè)晶體管的第一臺(tái)碳納米管計(jì)算機(jī)，其中每個(gè)晶體管包含大約10到200納米長(zhǎng)的碳納米管。如今，已有直徑約為1微米的碳納米管計(jì)算機(jī)晶體管研制成功，每秒能開關(guān)約100萬次。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)碳納米管有著優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能，有望成為氫能電池的制造材料，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車、潛艇、電力機(jī)車等領(lǐng)域。

人們還計(jì)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(duì)21世紀(jì)高端科技發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。一旦人們?cè)?ldquo;馴服”碳納米管領(lǐng)域取得突破，一場(chǎng)由碳納米管發(fā)端的科技革命即將“引爆”全球。

應(yīng)用前景或?qū)⒏淖兪澜?/strong>

在地球和月球或太空基地之間搭建一座“太空天梯”，這一場(chǎng)景曾出現(xiàn)在包括《三體》在內(nèi)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(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一，碳納米管有著極高的拉伸強(qiáng)度，或?qū)⒅θ藗儚牡厍?ldquo;爬向太空”。未來，人類進(jìn)入太空或運(yùn)送物資進(jìn)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(dú)特的力學(xué)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(chǎn)品。風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用的葉片，對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度要求極高，利用碳納米管纖維制成的增強(qiáng)復(fù)合材料將成為最好的選擇。碳納米管纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還具有極好的抗疲勞性，在橋梁、建筑中應(yīng)用，不僅可以提高強(qiáng)度和抗震能力，還將延長(zhǎng)其使用壽命。未來，包括高爾夫球桿、釣魚竿、網(wǎng)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?jī)?chǔ)存到碳納米管中，類似“鋼鐵俠”一般的裝備也將成為現(xiàn)實(shí)。目前，國(guó)外某實(shí)驗(yàn)室正牽頭研發(fā)一種能夠?qū)ν馓峁╇娔艿男滦头b。這種將碳納米管變成紡織面料的服裝，將為戰(zhàn)場(chǎng)上使用的照明裝置、夜視儀和通信設(shè)備等提供電力供應(yīng)，勢(shì)必進(jìn)一步減輕單兵負(fù)擔(dān)。

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(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。人們還嘗試將碳納米管制成透明導(dǎo)電的薄膜，用作觸摸屏的替代材料。

關(guān)于碳納米管的未來應(yīng)用還有許許多多。由于特殊的結(jié)構(gòu)和介電性質(zhì)，碳納米管表現(xiàn)出較強(qiáng)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(shí)，研究人員暢想將碳納米管制作成可注射入人體內(nèi)的微型芯片，還計(jì)劃將碳納米管打造成能殺死人體內(nèi)癌細(xì)胞的納米機(jī)器人。