神奇的纳米碳管

王　载

所谓纳米碳管是指将碳六角网面卷成封闭无缝筒状结构的物质，其直径从亚纳米(小于1纳米)到50纳米左右(1纳米＝10^-9米)，中间有被称之为布基管的空管。做一个形象的比喻，我们将直径l纳米的球比喻为1厘米的玻璃球，则直径1米的球相当于地球那么大。

奇怪的物质特性

纳米碳管的形状是独特的，而且其优异的性质更是让世界大吃一惊。例如纳米碳管根据直径的大小或碳原子的排列方式不同，它会成为良导体的“金属”或者具有一点导电性的“半导体”。这是非常不可思议的。铜、铁等金属无论何时总是金属，普通的橡胶总是不导电的“绝缘体”而纳米碳管仅由碳构成，却有时是金属，有时是半导体，通常物质是不会具有这种特性的。

目前，科学家已经利用纳米碳管这种性质制造出了场效应晶体，实现了比原来硅晶体更好的性能。所谓晶体管是可用于信号放大或开关等的元件，能够将多个半导体组合在一起制造。如果利用极细的纳米碳管，最终能实现单个电子都能控制的晶体管，科学家预测将来用它代替硅。

纳米探针“眼睛”

作为观察原子的高技术显微镜之一的扫描型探针显微镜，用纳米碳管做该显微镜的“眼睛”，将纳米级的探针最大限度地靠近试样表面，感知作用在试样与探针之间原子的力或微弱电流，查明试样表面原子级的凹凸程度。显然，探针越细越尖，显微镜的精度越高。纳米碳管是纳米尺寸，非常细且强度高，因为还有弹性，与目前正在使用的硅探针相比，具有难以损坏的长寿命。用纳米碳管作为纳米世界的“眼睛”，甚至可以观测蛋白质的微细结构。

显示器的能耗低

纳米碳管的研究中，最引人注目的是它在低功耗平板电视上的应用。纳米碳管在显示器中作为电子枪使用，一旦在纳米碳管上施加电压，电子从其前端像枪弹似地发射出，这是所谓的“场致发射”现象。如果这个电子撞上涂在玻璃屏上的荧光涂料，荧光涂料就会发光。一般在金属的尖端，容易引起场致发射，用低的电压射出。多次实验论证，用极细且强度高的纳米碳管作电子枪是最好的材料。世界上率先开发出以纳米碳管为电子枪的荧光管，首先是将多个这样的荧光管排列，组成非常高的电光告示牌。

利用纳米碳管不单是作为平板电视显示器已被产品化，还用作等离子显示器。红绿蓝是光的三原色，三原色的不同组合可以制造所有的颜色。等离子显示器的原理基本上与荧光灯一样，通过在气体中放电产生紫外线，紫外线再射到玻璃屏内侧涂有红绿蓝的荧光体上使其发光，图像被显示出来。简单地说，等离子显示器是许多个微小荧光排列构成的画面。

等离子显示器可以显示清晰的图像，使大画面成为可能。由于比一般家庭普及的电视机更薄，所以非常受欢迎。缺点是等离子显示器的消耗功率大。据估算，75厘米高清晰电视，若用等离子显示器消耗功率是240瓦左右，用纳米碳管只需6.8瓦左右。

纳米管电子枪

纳米碳管作为电子枪使用的平板电视显示器被称作纳米碳管场致发射显示器，其原理基本上与我们熟知的普通电视机显像管一样，只是普通显像管为了使画面放大，电视机主体务必要有一定的厚度。

而纳米碳管场致发射显示器的情形，每一个微小像素配置的纳米碳管电子枪，因被安装在紧靠画面后方的阴极，所以能够薄型化。再者，纳米碳管的电子枪低压发射电子，所以消耗功率低，又因可以快速应答。所以不会出现余像。

关于纳米碳管场致发射器，今后的一个课题是纳米碳管的电子发射如何能够均匀分布在整个画面，使整个画面亮度相同。

另外，若能以更低电压发射电子也是很重要的。如果在80伏特以下，则显示器元件就可使用现有便宜的低压用集成电路，从而降低显示器整体的成本。

对于研究人员而言，下一步将探讨如何拓宽碳基底集成电路或纳米机械的应用，人们通过这些出自常见碳的新材料看到了高科技所显示的巨大威力。或许除了碳以外，在我们身边还隐藏着其他新材料。

责任编辑蒲晖