碳纳米管科普

代谢，人类的进化乃至地球，太阳系及宇宙的形成可以跨越从飞秒，皮秒，微秒， 毫秒，秒，分钟，小时，年直到数百亿年。而在空间的尺度上，小到夸克，原子， 分子，纳米结构，细胞，大到高楼，山脉与河流及地球与宇宙，则可以从埃，纳 米，微米，毫米，米，公里，光年，数亿光年。
图 2 从左向右：碳纳米管；DNA 链；血红细胞，姚明；摩天大楼（注：未按比例绘图）
图 3 金门大桥及其钢索的结构 别说，有一大批物理学家还真得投入这个事业中。首先，搭这么长的梯子，
用什么材料是问题最关键。大家都知道一切材料都能够被拉断，即受力有限。而 大家可能不太清楚的是，一切材料如果都可能被自身的重量拉断。比如，斜拉式 大桥上的铁索，是大家认为相当强的材料了，但大家知道吧，钢的密度达 7.8 吨 /立方米。即它本身太重了。无论做成多根平行一起使劲的钢索（图 3 如美国著 名的金门大桥的拉索，是人类比较早使用钢进行拉撑的案例），还是一环套一环 的结构，只要一长，均会被轻易拉断。蜘蛛丝是自然界比较典型的例子，能够进 行很大的伸缩，且耐自身许多倍的重量（如支撑蜘蛛的重量）。但其是蛋白质构 成，绝对强度低。同时蛋白质易变质劣化。
鉴于宇宙飞船每次倒腾的东西太少，在月亮上建造一个房屋太慢。同时宇宙 飞船有材料老化，发射不安全的问题，科学家在思考还有没有别的可行方式。大
家可能熟知盖高楼或上高楼的方式。均是利用像电梯或卷扬机。里面的核心是钢 丝拉着载重厢，在电机的作用下，把人或建筑材料从低处运送到高处去。无疑 钢 丝绳是其中的载重承受体。科学家就在设想能不能在地球与月球之间搭一个类似 于电梯的通道，这样就可以将所需要的货物源源不断的运到月球上去。听起来非 常 Crazy，但如果比之与伽利略的“如果给我一个支点，我就能够撬动地球”说， 还是相对要容易接受一点。
然而，在追求真理与真知的“实心眼”科学家那里，却不是这样，自从 C60 与碳纳米管的发现，人类正式进行了纳米时代，可能大家都听过“纳米领带”， “纳米洗衣机”或“纳米药物”。不论这些东西是否属实，却毫无疑问地夸耀“细” 与“小”的作用。
事实上，追求细小或细微或精细，是人类科技进步的一条主线。 从人类走过的路程可以看到，从旧石器时代，新石器时代，以及青铜时代， 铁器时代，到火车轮船时代，以及飞机及计算机时代。从手工打造，铸造，到普 通车床加工，再到数字车床加工，激光刻蚀。比如，普通汽车与拖拉机的发动机， 一般有成千至万个零件。而飞机或火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证 这个零件良好组合或密封，以及长时间工作不损伤的关键因素，就在加工结构的 精细化与细微化。一般来说，汽车与拖拉机对应的加工精度为微米级，而计算机 与手机等通讯产品中硅片的加工精度则为纳米级。人类加工的产品越来越精细， 也就越来越有功能。而到达纳米级后，计算机硅片的加工要求又从 100 nm，小 到 60 nm，直到目前的 15 nm。这些数字减小的后面，是一代一代计算机的更新 换代与巨大的产业价值。 而我们故事的主人公：碳纳米管，竟然可以小至 0.4‐1nm。大家可以想见， 如果计算机的加工基础可以小到这个程度，或由这么小的材料来组装器件，则现 代的工业革命又将会发生什么样的变化。 在此开篇，有必要向大家介绍一下时空的概念。在时间尺度上，生物的新陈
因此，人们在生长碳纳米管时借助别的方式。最经曲的方式是借助一个纳米 金属粒子，其大小可以与碳纳米管直径相仿(图 6)。当把碳与金属全在高温下处 理时，碳蒸汽会与金属形成金属碳化物，而在一个较冷的区域，金属中的碳会析 出，而金属碳化物也复原为金属。由于碳可以纳米金属颗粒（可以看做是一个微 小的球）的法线方向析出，而只要碳的浓度很大，沿着球一圈的法线方向就会自 动生成一个无缝的纳米管。
在这方面可以用一个强度相近的 碳材料来帮助大家理解。碳纤维已 经被广泛地用于防弹衣，高尔夫球 杆，钓鱼杆。在这些场合下，碳材 料承受强大的抗冲击压缩形变，以 及巨大的拉伸形变，又使得这些产 品非常轻。属于真正的高端产品。
图 4 不同材料的力学强度（从左到右的英文为：碳纳米管；石墨碳纤维，芳纶（一种 高分子材料），不锈钢）
碳纳米管科普
骞伟中
一 心细如发，发真得够细吗？
中国有句谚语为＂心细如发＂，用来形容一个人的心思缜密，细微程度达
到了头发丝的尺寸。在古人的眼里，头发丝已经是非常细的东西的代表了。或者，
人们形容薄时，爱用“薄如蝉翼”，但蝉翼真得够薄吗？然而，大家知识头发丝
的直径或蝉翼的厚度是什么尺度的吗？仅仅是几十微米而已。有没有比头发丝更
不同的距离与不同的方向产生出不同的交通方式。在陆地上旅行，可以看作
是水平面或落差不大的坡上，我们靠步行，坐车；在江河湖海中，我们靠轮船。 而垂直方向，如在有形的大楼里，我们依靠电梯。而在无形的大气层中的空间里， 只能靠飞机，热气球，或翅膀。而穿越更遥远的无形的外太空，就要依赖火箭， 宇宙飞船了。
不同的交通方式，花费的时间代价不同。比如步行，人类一天只能走 30‐40 公里，坐汽车走普通公路一天可以走 200‐300 公里，走高速公路则可达到 1000 公里。坐高速铁路，速度可达 400 公里，则一天有可能跨越 2000‐3000 公里。而 飞机则更加神速，北京至纽约的距离大约 11000 公里，只需要 12‐13 小时就可到 达。而火箭与导弹则可以超过音速（340 米/秒，相当于 1230 公里/小时），若达 到 3 倍音速, 从北京到纽约的行程可以缩短到 2‐4 小时。当然这都是有重力束缚 下的速度。而当速度大于 7.8 公里/秒，人类就能够挣脱地球，到达外太空了。
细的丝及比蝉翼更薄的纸吗？
事实上还多得很。
比如铜丝，现代的加工技术可以将铜丝拉伸到小于 10 微米的级别。用于光
导通讯的玻璃纤维丝，也能达到这个级别。
而更绝的是，用激光刻蚀可以在硅片上刻出几十纳米（nm）的细槽，从而成
为现代超级计算机的基础。
但你可能更加想不到的是，人类真得造出了直径仅 0.4‐1nm 的碳丝(图 1)，而
来自百度文库
且还是中空结构。这种材料与头发丝相比，直径小了 1 万倍。另外一种比喻可以
让你进一步想象 1nm 有多大，人的指甲的生长速度几乎是不为人察觉的。人一
般觉得指甲长了，总得一周左右 的时间。但即使这样，您的指甲
armchair
仍以每秒 1nm 的速度在不停地生
长。但由于一个分子的大小也就 在 0.3nm(如氢气分子)到 0.6
而对我们人类来说，请大家记住这些尺度(图 2，我们的 DNA 为几个纳米大 小，血红细胞的直径为几个微米，我们的皮肤有几个毫米厚，我们的头发有几十 个微米粗，我们的心脏大小相当于拳头（直径有十几厘米），身高多为 1.5‐2.2 米。
二 登月可不用宇宙飞船吗？
“明月几时有，把酒问青天”，“我问嫦娥何所有，吴刚捧出桂花酒”这些都 是中国人对于月亮美丽的遐想。能够飞起来，甚至飞至月球上去，一直是人类的 梦想。而实际跨越地球与月球之间这遥远的 38 万公里，则不能只靠梦想，而要 靠能够行得通的技术方式。
当然，目前的技术困难并不能阻止科学家“异想天开”地寻找别的最佳交通 方式。事实上人类一直不乏奇思妙想与狂想。古代俄有中国人想坐着炮仗上天， 被炸了个粉身碎骨。而近来还有人嫌从美国到澳大利亚坐飞机太慢，想出把人绑 在火箭上发射过去的疯狂的想法。但如果这些想法比起科学家最近想到的登月办 法，估计还是从思想的深度与疯狂度上都是小巫见大巫。
zigzag
nm(如苯分子)，所以你可以想象
这种碳丝在本质上就是一种原子 线或分子线。但它的确构成了一
chiral
种长径比巨大的固体材料，成为
一种实物，而不再是无所束缚的，
到处乱跑的分子或原子。
图 1 碳纳米管的三种卷曲结构（从上而下的英文
为：扶手椅式结构；Z 字形结构；手性结构）
实际上，这种神奇的材料的发现是基于非常偶然的机缘。在 1985‐1990 年间， 科学家热衷于制造一种形状像足球的由 60 个碳组成的分子。这种分子通常是用 电弧放电，将石墨靶上的碳原子进行激发，然后进行自组装而得。而在偶然的机 缘里，科学家发现，只要能量足够，这些碳原子就会自动连接起来，形成一条碳 链。而利用放大倍数在 10 万倍至 100 万倍的电子显微镜下，科学家惊异地发现 这个丝状的材料竟然是中空的管状材料，所以，根据其元素，尺寸与形状，科学 家形象地称这种材料为“碳纳米管”。应该说这种丝状材料与头发相比，才是真 正算得上细与小。当然如果说一个人“心细如碳纳米管”，则恐怕不只是“心细 如发”的赞许与褒扬，而或许带有一种调侃或讽刺意味的“小心眼”了。由此可 见，社会科学中的词语包含了粗与细的平衡，什么事都得适可而止，非常玄妙。
科学家经过计算，发现能够跨越 38 万公里，惟一能够承受自身重量而不被 拉断的材料是本文的主人公，碳纳米管。碳的质量轻，密度仅为 1‐2 吨／立方
米. 但当碳原子以 Sp2 结构杂化，形成一个个如苯球状的连接体，同时又封 闭成管状结构时，就拥有最坚固的结构与耐受力。理论上预测，碳纳米管的扬氏 模量可达 1 TPa, 是钢的 100 倍(图 4)。可见其强度已经完全超越了大家的想象力。
当然不同交通方式，所能携带的重要也不同。而轮船则可以在１个月左右的 时间里把十万吨原油从中东运回中国。一列运煤的火车常有 40‐50 节车厢，每节 能拉 60 吨，则火车可以在几小时把几千吨的货物运至千里之外的目的地。飞机 虽快，运力则下降到了百吨的级别。像长征 3 号这样的捆绑式运载火箭更快，但 能够运送的卫星也就几吨重。所以，可以想像前苏联组建的太空空间站，费了多 大的劲。而太空空间站的重要也不过几百吨重，大致相当于一个几百平米房子的 建筑材料的重量。却需要发射代价高昂的火箭跑上几十趟才能完成。要知道一些 亿万富翁，想去天外看看地球与太空，坐上宇宙飞船跑上几个小时的旅行费高达 几千万美元。所以直到目前为止，人类在月亮上建造永久居住地的梦想，仍然只 能是梦想。也就谈不上在地球毁灭时，把大量的人类转移出去。也谈不上地球能 源严重危机，资源不够用了，从外太空别的地方搞点能源回来。
三 生长碳纳米管就像种韭菜，生豆芽，吹棉花糖，放风筝
请原谅作者的叙事方式，长篇大论了半天，读者还不曾对故事的主人公有个 清晰的了解。但作者认为，对于碳纳米管这种本来就带着神秘面纱的事物，只有 有了被吊足的胃口，才有可能理解起科学本质。
简单来说，碳纳米管就是由碳原子卷曲形成的管道，只不过这个管道的直径 实在太小罢了。但因为其实在太小了，制造方法也就与宏观物体的制造方法不同。
而有了这个天梯的梦想，科学 家就不断地努力研究，越来越合成 出了结构趋于完美，强度接近理论 值的碳纳米管产品。虽然实现这个 天梯梦想，还需要在月亮与地球上 找合适的固定点，还需要克服这么 长的距离上的材料的形变，以及使 用安全（碳材料怕火，经过大气层 时，要注意雷电的破坏）等，需要 一个漫长的过程，但在这个过程 中，人类必将能够收获更多的知
图 5 《科学美国人》杂志的封面，图示了一个碳纳米管束 的天梯上正有着一个卫星攀升上天
识，得到更多实用的产品，开拓更多的应用领域。 在这方面，与大家分享的是这种科研梦想的物理基础，以及对待这种超级梦 想的现实理解态度。对异想天开持宽容态度，才是人类进步的最大动力与支持之 一。比如，封建农耕社会的人，是永远也不能理解电视是怎么回事，也绝对想不 到相隔上万公里的人可以无延迟地视频通话。 还是就是许多人对于美国星球大战构想的军事意图持绝对否定态度，但在实 现这个梦想的过程中，的确发展了一些包括激光应用的高科技。目前来看，世纪 大战不一定能够打起来，美国的霸权也不一定绝对优势，但这些高科技技术却已 经实实在在地造福了人类。
从新疆到北京或上海的输油管道可能是陆地上最壮观的管道工程之一。为此 中石油与中石化都成立了管道局，组织大量的人力来保证其输运安全。但制备石 油的输油管道很简单，把铁皮卷起来，进行焊接就可以了。但对于碳纳米管来说， 其直径几纳米，能够进行这样的操作吗？如果大家有在电子显微镜下工作的经 验，就可以看到我们所用的工具（如镊子，针尖等）要比碳纳米管大多了，所以 直接焊接的难度太大。