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《科学大众》

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“全能纤维”碳纳米管

2015-01-30 11:07:00

“全能纤维”碳纳米管

□文/ 柠檬夸克

 

2014626日,《新闻联播》节目少见地报道了一条科技新闻:我国科学家在新材料领域取得了世界级研究成果。北京大学李彦教授和她的课题组首次提出碳纳米管生长规律的控制方法,这一成果发表在当日出版的权威学术期刊《自然》杂志上。

能上《新闻联播》的,肯定是国内外大事!看来这位李教授的研究很了不起,可到底“了不起”在什么地方呢?碳纳米管又是神马东东?哈哈,儿童相见不相识,千万别说你不认识它,它经常会在你的化学考卷里露一脸。

 

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一个球和一个管的故事

碳纳米管,顾名思义,由碳原子组成, 它的大小是纳米——也就是10-9米数量级,形状呈管状。区区四个字的名字,涵盖了三个性质,这的确是一个好名字。不过,你知道吗?碳纳米管还有一个名字叫巴基管,这个名字听上去可就土多了,它来源于一个人的名字,这个人叫做巴基·富勒。

巴基· 富勒是一个建筑师,以设计未来时代的城市著称。他的代表作艾波卡特坐落于美国佛罗里达州的迪斯尼世界度假区, 是这个度假区内除迪斯尼外的第二座主题乐园——未来城市主题乐园。艾波卡特在198210月正式开幕,建筑的整体由一个巨大的网格球顶型包裹,周围也都是同样未来派风格的建筑。

 

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位于美国迪斯尼世界度假区的未来城市主题建筑艾波卡特

 

在艾波卡特落成后的第3年,1985年,英国化学家哈罗德·克罗托和美国化学家理查德·斯莫利制备出了一种很特别的物质。这种物质的分子由60个碳原子组成,这60个碳原子组成一个足球的形状。看上去和艾波卡特如此之像,再加上克罗托和斯莫利又是巴基·富勒的超级粉丝,于是这种新的物质被命名为富勒烯。在我国,也有人称这种物质为巴基球或足球烯。

我们知道,碳是地球上最重要的元素之一。所有的生物,包括我们人类的身体里,都充满了碳元素。化学家们为了研究碳和碳的化合物,专门开辟了有机化学这一重要的化学领域。化学家们很早就知道,纯净的碳有两种不同的形态——金刚石和石墨,所谓金刚石,就是女士们手上戴着的闪闪发光的钻石;而石墨,是一种黑黑的粉末,是铅笔芯的主要材料。

看上去如此不同的两样东西,居然都是由碳组成的,可见碳的神奇!然而事情还没有完,克罗托和斯莫利的工作带给我们一种全新的认知,碳原子居然还能排列成这个样子!

 

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这就是富勒烯经常出现在化学习题册和考卷上的模样

 

富勒烯的发现开阔了人们的视野,科学家们开始寻找碳的其他组合方式。功夫不负有心人,1991年,日本物理学家饭岛澄男发现了管状的富勒烯。既然球状的叫巴基球,干脆管状的就叫巴基管吧。这就是我们前面讲到的碳纳米管。在碳纳米管中,每一个碳原子都和其他碳原子一起组成六边形,所有的六边形连接在一起,形成一个管状结构。

 

制造碳纳米管的最大难题

碳纳米管是一种“超级材料”,它的强度是钢材的300倍,而密度仅仅是钢材的1/6,而且它还拥有良好的柔韧性,可以随意拉伸,被誉为“全能纤维”。碳纳米管有良好的导热性和导电性,也许在不久的将来,它可以取代硅成为计算机芯片的主要材料。

虽然全能,可目前的碳纳米管还只能在实验室中拳打脚踢施展武艺。之所以会这样,是因为想要制造一个碳纳米管实在太困难了!前面那张图里的碳纳米管是一种完美的形状,每个碳原子都和其他的碳原子组成六边形。可是在实际制造碳纳米管的过程中,可没有那么完美了,五边形、六边形、七边形……一个个长得都歪瓜裂枣。这些碳原子会随机组成各种不同的组合,这些不确定的组合会严重影响碳纳米管的性质!人们不知道如何来控制碳纳米管的结构,从而得到性能稳定的成品。这个问题一直困扰了人们20多年。

李彦教授和她的课题组找到了一种很好的方法,可以控制碳纳米管的结构,从而生产出完美的全部六边形的碳纳米管。这一发现,无疑为碳纳米管的深度开发应用奠定了基础。

 

“全能纤维”也有不少缺点

作为一种超级材料,碳纳米管的应用,无疑能给我们的生活带来很多的便利。不过它也有很多不好的地方。

首先,它能引起我们眼睛的不适,让我们的皮肤过敏,如果我们吸入过多的碳纳米管,还可能导致肺癌、尘肺等疾病。其次,它会引起水生生物的生长变慢,甚至死亡。再次,它的结构并不是十分稳定,它会吸附周围的物质从而引起自身结构的改变,这些改变会不会产生一些有毒有害的物质,还需要进一步研究。

相信将来人们一定会想办法改进碳纳米管的性质,使它更多地造福人类。

 

(责任美编:白玉磊)




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