日新月异的碳纳米管

刘根林　沈海军

人类对物质世界的认识一直孜孜不倦地朝着宏观和微观两个方向延伸：一方面，人们正利用火箭、飞船等航天器探索浩瀚的宇宙：另一方面，则又通过显微镜、微加工技术等手段观察和研究着身边的微观世界。在微观方而，纳米科技正如火如荼，并孕育着人类科技发展的新一轮产业革命。

神奇的碳纳米管

上世纪90年代初，作为纳米材料科学中的主角之一，碳纳米管一经出现，立即引起了科学家们的广泛关注，并迅速在诸多领域中展现出了巨大的应用潜力。

力学与机械学家发现，碳纳米管的抗拉强度和韧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属和塑料中，用这种材料织成线，做成运动防护品，比如足球运动员的护腿，那绿茵场上就不会伤情不断了；将碳纳米管加入树脂中，可制备出韧性、强度等力学性能优越的复合材料；异想天开的人们，甚至还勾画出这样一幅蓝图：用碳纳米管做成“天梯”直达月球。

微电子学家发现，碳纳米管的导电性可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至在同一根碳纳米管的不同部位也有不同的导电性。将金属性碳纳米管与硅纳米线对接，这种金属一半导体异质结构具有二极管的整流作用；碳纳米管在不同的气体环境下，其电阻会发生改变。根据这一现象，有可能把碳纳米管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。

材料学家发现，碳纳米管的宽带微波吸收性能优良，具有重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点，可用于制作特殊用途的隐形材料、电磁屏蔽材料和微波暗室吸波材料；碳纳米管中空的结构，可以作为“储存”氢气的容器，被其储存起来的氢气密度，甚至比液体或固态氢的密度还高。

化学家发现，碳纳米管的比表面积(材料外表面与材料质量之比)很大，气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，催化剂吸附在碳纳米管管壁后其活性和选择性大大提高：利用中空的碳纳米管作“模板”，在其内部填充金属或非金属原子，可制备出非常细的金属或非金属原子纳米线。现在，化学家们正利用这种方法，制备出银、金等纳米线，而这种纳米线极有可能在未来的纳米计算机或量子计算机上取得重大的应用。

微计量学家发现，用碳纳米管作为扫描隧道显微镜的探针，可实现单个原子或分子的识别，甚至可以操纵它们……

最小的收音机

每年，美国《技术评论》杂志都会评出前一年度的10大新兴技术，并预计这些技术将在未来几年对我们的生活和社会产生重大影响。在2008年评选出的这些即将走出实验室、迈向实践的新兴技术中，碳纳米管收音机被公认为是碳纳米管在微波领域中的一项成功范例，是一项了不起的工程壮举。

碳纳米管收音机是美国加州大学物理学家泽托教授于2007年研制的。这是迄今为止世界上最小的收音机：它的核心部分由单一的碳纳米管构成，人们加上电池和耳机，就能用它收听到中意的广播节目。这种碳纳米管收音机只相当于人类首批商业化的收音机的1000亿分之一。

传统的收音机一般由天线、调谐器、放大器、解调器和喇叭等几个相互独立的部件组成，其工作原理大致如下：天线通过电谐振接收广播电台的电磁波；然后，调谐器将高频的电磁波信号转化为带有声音信息的低频信号；接着，低频信号经放大器放大，加至喇叭，就可以得到美妙的声音。在碳纳米管收音机中，碳纳米管集天线、调谐器、放大器和解调器功能于一身。

纳米收音机的碳纳米管被置于真空管中，并将一端固定在电池的负极上。碳纳米管的另一端(即自由端)和电池正极之间留有纳米量级的间隙。如果电极间的电压足够高，正极能将碳纳米管自由端的电子“夺”过来，当广播电台的无线电信号经过该碳纳米管收音机时，其产生的电场将不断“推”和“拉”纳米管的自由端，也就是碳纳米管随无线电信号发生共振，利用这种共振现象及回路中相应的电流变化就可以探测到无线电信号。同时，回路中受无线电信号感应得到的高频交变电流信号经碳纳米管“调谐”、“放大”和“解调”后，便会转化为携带声音信息的低频信号，进而通过喇叭等播出声音。

通过上述对比可以发现，碳纳米管收音机有如下鲜明特点：具有更少的独立部件；体积及尺寸极小；通过纳米管的机械振动来接收电磁波，就像弹动吉它的弦一样，而非传统天线的电谐振。

泽托教授称，虽然目前纳米收音机还只是设定成无线电接收器，但它也可以改装成无线电发射器。

碳纳米管收音机虽小，却具有深远的影响，它使得将其他无线电部件缩小到纳米尺度成为可能，并最终带来“真正整合的纳米无线传输系统”。纳米发射器可应用于工业、商业、医学和其他多种用途。比如，附在微型化学传感器上的纳米无线装置，可植入患有糖尿病或其他疾病的病人血管内。如果传感器探测到一种不正常的胰岛素水平或其他一些目标化合物，发射器可将相关信息传送给一个探测器，或者甚至可能是一个可释放胰岛素或其他治疗药物的植入式胶囊。

管中化学

自从诞生之日起，碳纳米管几乎理想的一维纳米中空腔就引起了化学家们的浓厚兴趣，开口碳纳米管的中空管腔已经被预言可作为纳米试管、虹吸管、缓释药物的载体、储能材料等，进而产生了一个新的纳米化学学科分支——“管中化学”，应用于包括分子定向反应、缓释药物的载体等方面。

先看分子定向反应。

做化学实验时，最常见的情形就是将两种溶液在玻璃试管中混合，并进行化学反应。然而，某些情况下，反应物分子表面可能存在若干个化学活性点，这将导致反应产物也可能有若干种。化学家要从分子层次上认识并有效控制某种特定的反应，显然，传统实验方法具有很大的局限性。现在，一些化学家已经开始用碳纳米管作为试管，尝试进行分子的定向反应。

为什么利用碳纳米试管可以进行分子的定向反应呢?

这主要是由碳管内部管腔微小的体积决定的。由于纳米管内空间极其有限，各分子进入其中后，受管壁约束，只能保持某种特定的“姿态”，这正好为分子间的定向反应提供了很好的条件。

在研制缓释药物的载体方面，碳纳米管也是极为理想的载体。

人体是一个不断循环的代谢系统。当人们生病时，难免要吃药。然而，多数情况下，只有一小部分药物的有效成分被人体吸收，绝大部分有效成分，人体都还没有来得及吸收，就已经被分解、循环、排泄掉。寻找药效持久的缓释药物一直是无数医学工作者的梦想。由于碳纳米管对生物无毒性，中空，且稳定性好，因此，作为缓释药物的载体，被许多研究者看好。事实上，即使一些非常普通的药物，一旦装入碳纳米管，由于装载的药物只能从碳管的两个开口端释放，同样可以达到“药物缓慢释放，药效持久”的目的。最近，笔者的一项研究表明，目前的单壁碳纳米管非常适合装载鸦片类戒毒药物——美沙酮。也就是说，装载美沙酮后的碳纳米管极有可能成为一种新型的戒毒缓释药物。

碳纳米管还可制作超微吸管。

前不久，日本的一个研究小组开发出了一种装备有机纳米管的超微吸管。能喷出万亿分之一毫升的液体。据报道，该纳米管由碳、氧、氮和氢分子构成，内径50纳米。它可以装在内径1800纳米的玻璃微吸管尖端上，组成一个超微吸管。通过施加电压，吸管内的液体就会喷射出来，喷射量可通过调整电压控制，其精度比以往的微吸管提高了上万倍。

上述报道是关于某有机纳米管的。事实上，从理论上讲，碳纳米管也完全可以用来制作类似的超微吸管。这些超微吸管可望应用于医疗和生物领域，比如向单个细胞内注入极其微量的物质或吸取细胞成分等。

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[责任编辑]赵菲