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前沿科技
“超级纤维”横空入市
/文 2013/07/31

碳纳米管是1991年被发现的一种碳结构,它是由若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”,内部中空。可以看作是由石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。这种材料很轻,但很结实。碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。
“碳纳米管是我所能见到的最好的导电材料。”美国赖斯大学化学和材料科学教授安德鲁•巴伦说。他希望用这种材料制成一些非常大东西,例如几千英里长的高导电电力传输线,用于建设更有效的能源网格。
而这也是赖斯大学已故教授理查德•斯莫利一个未完成的构想,他因为发现了碳纳米而荣膺诺贝尔化学奖。

技术突破

碳纳米管,这种20世纪末被发现的特殊材料如今变得广受瞩目。这一研究领域的终极目标之一,便是依靠掌握碳纳米管的手性,即分子的对称特点,合成单壁碳纳米管。
来自芬兰阿尔托大学、俄罗斯普罗霍罗夫普通物理研究所以及丹麦技术大学电子显微中心的科学家们日前宣布,他们已经掌握了碳纳米管中超过50%的手性。
这一关键技术的突破,意味着碳纳米管的商业开采以满足无数实际应用正式迈开脚步。
在碳纳米管被发现之初,技术和复杂的工艺令这一技术止步不前。其无法在实际生产中发挥作用的一大制约因素,便是人们没法很好地掌握其手性,手性决定着碳纳米管的光学和电子特性。
就好比拿起一张纸,将它卷起放入一只试管中时,它会呈现一种状态;而将它卷成某个角度,它又会呈现另外一种样子。“是的,这就是我们如何解释单壁碳纳米管的结构的:就像按照各种方向和宽度,将石墨烯片通过不同的方式卷曲。”阿尔托大学科学院应用物理系的教授艾司科•考皮宁说。

产业落地

碳纳米管被视为有朝一日有望超越硅在计算机芯片中的作用。它比硅晶体管体积更小,速度更快,同时也更节能。碳纳米管也曾被海外媒体誉为21世纪材料界的奇迹,可以用于水和油的净化,人造肌肉、骨骼支架或是细胞疗法,甚至还可以用来制造更好的平板电脑显示屏、LED及柔性显示屏。
近期,富士康旗下的天津富纳源创科技有限公司通过与清华大学团队的产学研结合,成功实现了全球首个碳纳米管触控屏产业化。
航天工程学家也为这种超级材料着迷。研究人员正在寻找一种更为强劲且更轻的材料用于下一代商业飞机,理想的方法之一便包括将碳纳米管涂于碳纤维表面进而增加其强度。麻省理工学院的博士后斯蒂芬•施泰纳说,这是一个令人感到兴奋的领域,并且极有可能对环境、飞行器等方面产生大范围的影响。
此外,来自新加坡南洋理工大学的研究人员也利用单壁碳纳米管膜作为材料之一,成功研制出具有超强伸缩性、高集成度的超级电容器的储能装置,用于弥补弹性电子产品急需的能量来源。

 

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