摘要: 作为曾经的“明星”,碳纳米管与现在其他新兴崛起的二维材料相比,它受到的关注大大下降,有些洗尽铅华的感觉。但正因为开始远离聚光灯,使得一小部分坚持下来的研究者能够静心来,踏踏实实的攻克一些技术难题,将碳纳米管研究从实验室推向产业化。

近三十年来,作为研究热点,来自碳家族的材料明星辈出,包括碳纤维、碳60、金刚石、碳纳米管、石墨烯、碳化硅等都是一时的研究热门。而其中的碳纳米管在上个世纪九十年代到本世纪头五年基本上是最热门的材料。

一、什么是碳纳米管?

碳纳米管,又名巴基管,是一种用单层碳原子卷成的圆筒状结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。

碳纳米管是人们最早掌握的一种准一维纳米材料,也是最为稳定的一维纳米材料,它拥有一系列独特而优越的物理、化学、电学和力学性质。比如:     

1)完全由自然界中最强的碳-碳键构成,结构稳定,力学强度大;     

2)表面没有悬挂键,化学稳定性强;     

3)电子运动速度快,电流承载能力强,能量耗散小;     

(4)       结构小,对外界的各种刺激反应比较灵敏。

碳纳米管有着上述所提到的独特性质,因此也被认为在许多领域会有非常有价值的应用,但是实际实现的应用却很少。

二、 碳纳米管曾经的研究热点很多,但是现在大家关注的,其实只有两点:

1.         材料是可控和批量合成,并降低成本:

在碳纳米管制备过程的最后阶段,半导体型碳纳米管会和金属型你中有我,我中有你一般地混在一起。虽然这两种碳纳米管都十分有价值,但是必须分开使用,因为只有纯的碳纳米管(半导体型或者金属型)才能在器件层面得到应用,所以有效的分离技术也就成了碳纳米管走向应用的一个技术难点。 

全球科学家已经花了大量的时间来尝试各种分离技术。尽管已有研究者研制出一种高分子试剂,能和半导体型的碳纳米管混合并一起被溶剂冲洗走,然后通过后期的提取获得半导体型碳纳米管,但是提取金属型碳纳米管的方法目前进展缓慢。 

而如今,阿德罗诺夫课题组机智地发现了这种方法:他们将能分离半导体型碳纳米管的高分子试剂的电学特性颠倒,就能得到了只分离金属型碳纳米管的新型高分子试剂。

2.         在电子器件中的应用:

碳纳米管于电子器件中的应用来自于现有的微电子技术发展即将遭遇极限,大家期待新的技术来延续摩尔定律,而碳纳米管拥有的优异半导体特性使其在这方面被寄予厚望。

三、除以上被关注的两点研究方向外,碳纳米管在其他领域也有着自己的价值:

1.       电子学领域:     

在电子学领域,碳纳米管目前并没有实际应用,但是有一些极其优异的电子学特性,使其在作为集成电路构建的主要材料方面被寄予厚望。

1)         作为晶体管的基本构建材料

这需要用到半导体型的碳纳米管,利用碳纳米管结构小(厚度仅有纳米量级)容易被电场调控、电子速度快等优势,可以制备尺寸更小、速度更快、功耗更低的器件和集成电路,如果利用碳纳米管晶体管取代硅晶体管,效能比可提高1000倍。这项技术有望在10年内取代现有硅基技术,成为新一代的信息器件主流材料。

2)         作为集成电路中的互联材料

碳纳米管作为集成电路的互联材料,可以发挥碳纳米管结构稳定,载流能力超强的优势,取代现有的铜互连技术。

3)         可以与现有的芯片技术结合,实现异质的三维集成芯片。

2.       传感器领域:     

另外,碳纳米管在各种传感器,包括光电探测、化学/生物传感器方面可能会有一些有潜力的应用,并构建出一些具有新形态、新功能的智能传感系统。     

3.       构筑“太空天梯”:

发明一种连接地球与宇宙空间站的“太空天梯”,一直是很多科学家的美好愿景。建造“太空天梯”并不简单,其最大的困难就在于,科学家们找不到强度足够大的建筑材料,运用一般的建筑材料,是绝对办不到的。科学家们为筑梦“太空天梯”而不懈探索,最终在纳米材料中找到了一线曙光——碳纳米管。

 碳纳米管构筑太空电梯的概念提出得非常早,目前实用价值不大,而且要实现起来困难极大,碳纳米管就是目前满足这种苛刻要求的唯一材料,因此是有可能实现太空电梯缆线的材料,但是这是理论计算的结果,其中力学强度是取的完整碳管的,但是我们知道,一根完整的碳管长度有限,因此最终的缆线肯定是许多碳管接起来的,这些结点会大大降低力学强度,最后是否能够满足力学强度大于自身重力,尚未可知。

4.       缝合复合材料的“针线”:

以碳纳米管“针”,对复合材料进行“穿针引线”可以实现复合材料层间的良好结合,与现有复合材料相比,经碳纳米管“缝合”的复合材料强度可提升30%,在断裂前能承受更大的作用力,这项技术的运用,提升了当前复合材料的综合性,对拓宽其在航空结构中的应用将起到很大的推动作用!

5.       帮助组织再生 

兹堡大学和莱特州立大学的科学家们发现,一种以碳纳米管为主要成分的新型的碳骨架可以帮助受伤或病变的肌肉组织再生。业内人士指出,科学家们发明的新型碳骨架可以帮助受伤或病变的肌肉组织再生,无疑是医学界的一项重大突破,对改善人体的健康状况及人体医学研究有着重要意义。

四、结语:

作为曾经的“明星”,碳纳米管与现在其他新兴崛起的二维材料相比,它受到的关注大大下降,有些洗尽铅华的感觉。但正因为开始远离聚光灯,使得一小部分坚持下来的研究者能够静心来,踏踏实实的攻克一些技术难题,将碳纳米管研究从实验室推向产业化,逐渐一一兑现曾经的承诺。大热之后的降温,对一种新兴技术的发展非常重要,纵观历史上所发现的新兴热门材料,必然会经历这样一个过程。 而这个过程有太多的技术问题需要解决和突破,我们需要足够的决心和心理准备。

目前研究人员过于重视原创性技术炒作,而忽视了扎实的推进和积累。小编在此建议:在碳纳米管研究方面,研究者们能少一些套路,多一些真诚!碳纳米管毋庸置疑是一种非常有潜力的超级材料,但是就目前的状况来看,还未研究透彻就匆匆上马很多项目,就是在“揠苗助长”,很可能造成“伤仲永”的悲剧。因此我们应该发挥出工匠精神,踏踏实实将碳纳米管的应用研究透彻,让碳纳米管的特性能真真正正应用于实际当中!        

 


  • 0
  • 3
  • 微信分享
本文人气 1911
写评论
全部评论