神奇寶貝 納米碳管

納米碳管是指將碳六角網(wǎng)面卷成封閉無縫筒狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其直徑從亞納米到50納米左右（1納米=10－9米），中間有稱之布基管的空管。納米大小很難有實(shí)感，如果將直徑1納米的球代之1厘米的玻璃球，則直徑1米的鈉米球幾乎相當(dāng)于地球這么大（直徑約12 800千米）。

物質(zhì)特性奇怪

納米碳管的形狀是獨(dú)特的，而且其優(yōu)異的性質(zhì)更是讓世界大吃一驚。例如納米碳管根據(jù)直徑的大小或碳原子的排列方式（嚴(yán)格地講是指碳原子的螺旋角度與方向）不同，它會(huì)成為良導(dǎo)體的“金屬”或者具有一點(diǎn)點(diǎn)導(dǎo)電性的“半導(dǎo)體”。這是非常不可思議的。而銅之類金屬無論何時(shí)總是金屬，普通的橡膠總是不導(dǎo)電的“絕緣體”。另一方面，納米碳管僅由碳構(gòu)成，卻有時(shí)是金屬，有時(shí)是半導(dǎo)體，通常物質(zhì)是不會(huì)具有這種特性的。

目前，科學(xué)家已經(jīng)利用納米碳管這種優(yōu)異的電氣性質(zhì)制造出了場效應(yīng)晶體，實(shí)現(xiàn)了比原來硅晶體更好的性能。所謂晶體管是可用于信號放大或開關(guān)等的元件，能夠?qū)⒍鄠€(gè)半導(dǎo)體組合在一起制造。如果利用極細(xì)的納米碳管，最終能實(shí)現(xiàn)單個(gè)電子都能加以控制的晶體管?？茖W(xué)家預(yù)測將來用它代替硅，或許能實(shí)現(xiàn)皆用碳基底的集成電路，可以考慮將納米碳管用于晶體管或布線，襯底用散熱效果好的鉆石。

強(qiáng)過鋼鐵80倍

目前對于金屬的納米碳管與半導(dǎo)體的納米碳管的制造原理可以說還不清楚。但是，如果想要其中的一種，只需從混雜在納米碳管中分離出需要的一方。例如，讓金屬與半導(dǎo)體混雜的納米碳管集體流過充分的電流，金屬的納米碳管因電阻發(fā)熱燒著了，剩下的當(dāng)然可以說是半導(dǎo)體的納米碳管。

為了實(shí)現(xiàn)碳基礎(chǔ)的電子學(xué)，還有很多課題有待研究。例如像用微細(xì)加工技術(shù)制造硅超大規(guī)模集成電路那樣，欲井然有序地排列納米碳管在現(xiàn)在還很困難。碳對電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是塊好材料，但是碳基底集成電路的實(shí)現(xiàn)還必須要有很大的突破才行。

納米碳管不單是強(qiáng)度大，還有出色的彈性，即使彎曲60度左右還能復(fù)原。根據(jù)這樣的性質(zhì)，可以制造出強(qiáng)度更大的復(fù)合材料。

納米探針“眼睛”

作為觀察原子的高技術(shù)顯微鏡之一的掃描型探針顯微鏡，考慮用納米碳管做該顯微鏡的“眼睛”，將納米級的探針最大限度地靠近試樣表面，感知作用在試樣與探針之間原子間的力或微弱電流，查明試樣表面原子級的凹凸程度。顯然，探針越細(xì)越尖，顯微鏡的精度越高。納米碳管是納米尺寸，非常細(xì)且強(qiáng)度高，因?yàn)檫€有彈性，與目前正在使用的硅探針相比，具有難以損壞的長壽命。用納米碳管作為納米世界的“眼睛”，甚至可以觀測蛋白質(zhì)的微細(xì)結(jié)構(gòu)。

開拓碳的世界

所謂碳是相當(dāng)于用作有機(jī)物分子骨骼的元素，是我們身邊常見的一個(gè)元素。木炭或煤煙子，鉛筆的芯（石墨），再者制造鉆石也是碳原子。納米碳管用肉眼看從外觀上似乎沒有一點(diǎn)出奇之處，但是在顯微鏡下你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是針狀的物體。

納米碳管自問世以來就成為高科技的代名詞。但是乍一看納米碳管的實(shí)物感到很掃興，因?yàn)樵趺匆哺杏X不到高科技的氣氛。實(shí)際上，正是這個(gè)外表，長時(shí)間隱藏著納米碳管的秘密，由于納米碳管隱藏在煤煙子中也推遲了發(fā)現(xiàn)。

在談及納米碳管發(fā)現(xiàn)史時(shí)還要提到另一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，那就是籠球狀的碳分子C60的發(fā)現(xiàn)。C60是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的分子，在20個(gè)碳六元環(huán)網(wǎng)絡(luò)中引入12個(gè)五元環(huán)就可得到與足球形狀一模一樣的封閉籠球。正二十面體的各頂點(diǎn)由60個(gè)碳原子占據(jù)的足球狀C60是富勒烯的代表性分子，也稱布基球。富勒烯在碳蒸發(fā)、凝縮，含碳物質(zhì)燃燒等過程中生成，但主要由電弧放電或激光蒸發(fā)法制造。除了C60外，還發(fā)現(xiàn)C70，C76，C78，C82，C84，C96等高次富勒烯也能穩(wěn)定地存在。

C60是1985年被發(fā)現(xiàn)，此前所知的所謂碳結(jié)晶僅是由碳原子平面狀連接的石墨與碳原子排列成正四面體狀的鉆石，碳的第三種形態(tài)C60的發(fā)現(xiàn)可謂是里程碑式的。正因如此，對富勒烯做出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家共獲1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

順便指出，富勒烯在其內(nèi)部有可充分容納的原子空間，能將鈧、釔、鑭等稀土類金屬，堿金屬，稀有氣體等原子包含其中。例如將鐵的微粒子放入納米碳盒中，構(gòu)成非常小的磁鐵，可用于磁記錄的介質(zhì)。

總之，以1985年C60的發(fā)現(xiàn)為契機(jī)，相繼發(fā)現(xiàn)了納米碳管、納米碳盒等過去從未見過的新物質(zhì)，大大開拓了碳的世界。

顯示器能耗低

納米碳管的研究中，最引人注目的是它在低功耗平板電視上的應(yīng)用，納米碳管在顯示器中作為電子槍使用。一旦在納米碳管上施加電壓，電子從其前端像槍彈似地射出，這是所謂的“場致發(fā)射”現(xiàn)象。如果這個(gè)電子撞上涂在玻璃屏上的熒光涂料，熒光涂料就會(huì)發(fā)光。一般在金屬的尖端，容易引起場致發(fā)射，用低的電壓即可使電子射出。多次實(shí)驗(yàn)論證，用極細(xì)且強(qiáng)度高的納米碳管作電子槍是最好的材料。世界上率先開發(fā)出以納米碳管為電子槍的熒光管，首先是將多個(gè)這樣的熒光管排列，組成非常亮的電光告示牌。

利用納米碳管不單是作為平板電視顯示器已被產(chǎn)品化，還用作等離子顯示器。紅綠藍(lán)是光的三原色，三原色的不同組合可以制造所有的顏色。等離子顯示器的原理基本上與熒光燈一樣，通過在氣體中放電產(chǎn)生紫外線，紫外線再射到玻璃屏內(nèi)側(cè)涂有紅綠藍(lán)的熒光體上使其發(fā)光，圖像被顯示出來。簡單地說，等離子顯示器是許多個(gè)微小熒光燈排列構(gòu)成的畫面。

等離子顯示器可以顯示清晰的圖像，使大畫面成為可能。由于比一般家庭普及的電視機(jī)更薄，所以非常受歡迎。缺點(diǎn)是等離子顯示器消耗功率大。據(jù)估算，75厘米高清晰電視，若用等離子顯示器消耗功率是240瓦左右，用納米碳管只需6.8瓦左右。

納米管電子槍

納米碳管作為電子槍使用的平板電視顯示器稱之納米碳管場致發(fā)射顯示器，其原理基本上與我們熟悉的普通電視機(jī)顯像管一樣，只是普通顯像管為了使畫面放大，致使電視機(jī)主體務(wù)必要有一定的厚度。

而納米碳管場致發(fā)射顯示器的情形，每一個(gè)微小像素配置的納米碳管電子槍，因被安裝在緊靠畫面后方的陰極，所以能夠薄型化。再者，納米碳管的電子槍低壓發(fā)射電子，所以消耗功率低，又因可以快速應(yīng)答，所以不會(huì)出現(xiàn)余像。

關(guān)于納米碳管場致發(fā)射顯示器，今后的一個(gè)課題是納米碳管的電子發(fā)射如何能夠均勻分布在整個(gè)畫面，使整個(gè)畫面亮度相同。

另外，若能以更低電壓發(fā)射電子也是很重要的，如果在80伏以下，則顯示器元件就可使用現(xiàn)有便宜的低壓用集成電路，從而降低顯示器整體的成本。

對于研究人員而言，下一步將探討如何拓寬碳基底集成電路或納米機(jī)械的應(yīng)用，人們通過這些出自常見碳的新材料看到了高科技所顯示的巨大威力。或許除了碳以外，在我們身邊還隱藏著其他新材料。

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