小題」大作：碳納米管的故事（上）

　　小題」大作：碳納米管的故事（上）摘要

　　大約15年前，人們本以為世界將會見證一次革命的開始。科學家們在資金申請書和白皮書里，公共關係官員們在新聞發布會裡，記者們在雜誌文章中都表達著相同的觀點——碳納米管將會改變這個世界。然而這一切並沒有發生。那麼到底發生了什麼？研究了幾十年納米管的阿加延向《化學化工新聞》解釋了這個問題。簡單來說，他說，就是事實上每種激動人心的新材料出現時都會發生的同樣的事情：炒作。

　　對碳納米管的炒作已逐漸平息，但研究者認為這類結構仍有發展潛力

　　[美]馬特·戴文波特/文        雯熙她爸/譯

　　普利克爾·阿加延一邊打著電話，一邊漫步於萊斯大學的校園中。天氣以任何標準來衡量都是又濕又熱，但對於休斯頓來說不過是司空見慣的又一天。或許這是萊斯大學材料科學與納米工程系的首任系主任阿加延一直都從容冷靜的原因。

　　「接著說，」他對著電話說，從他的聲音中能聽出一絲笑容。「有什麼難題儘管問吧。」

　　大約15年前，人們本以為世界將會見證一次革命的開始。科學家們在資金申請書和白皮書里，公共關係官員們在新聞發布會裡，記者們在雜誌文章中都表達著相同的觀點——碳納米管將會改變這個世界。

　　它們能驅動更好的電視機，它們能替代晶體管和尖端電子設備中的硅，它們能用來建造太空電梯。但是納米管革命並沒有出現在電視機上，硅依然是半導體之王，能送人去月亮的太空電梯依然是一種憧憬。

　　那麼到底發生了什麼？研究了幾十年納米管的阿加延向《化學化工新聞》解釋了這個問題。簡單來說，他說，就是事實上每種激動人心的新材料出現時都會發生的同樣的事情：炒作。

　　研究者們一認識到納米管有優異的性能，人們就開始暢想它的各種應用，有現實的也有夢幻的。但科學家們還沒找到有效率地生產成本合適的高質量碳納米管的方法。當更新的納米管技術沒能迅速地成型的時候，人們的注意力就轉移了。

　　許多把賭注下在納米管的前景上的公司失敗了，或者仍然在苦苦為自己的產品創造市場需求。許多科學家捨棄了納米管轉向石墨烯和其他被認為是「下一個大事件」的材料，使得很多納米管問題都懸而未決。隨著研究領域的萎縮，經費也萎縮了。

　　但是，有部分公司還是能夠盈利的。仍然還有一些對前景樂觀的研究人員致力於納米管研究。「納米管是令人興奮的材料，」阿加延說。「它們是讓人著迷的材料，它們仍然有潛力。」

　　

　　（圖片來源：http://www.1ohww.org/researchers ... ive-carbon-threads/)

　　它們將被稱為奇迹材料

　　對於納米管阿加延有著獨特的視角：他是首先對這類結構使用這個名稱的人之一。在飯島澄男於1991年將碳納米管帶進全球科學家團體的視野的時候，他已經在日本的電子產品公司NEC開始了與飯島的合作。

　　飯島並不是第一個發現碳納米管的人，但是他的工作為碳納米管設定了未來的道路。他意識到他的碳納米管就像單層的石墨捲曲成空心的圓筒。飯島和其他人很快就發現這些圓筒擁有不可思議的電性能和機械性能。

　　研究人員很快就研發出了在尺寸、導電性能和能耗方面都優於硅晶體管元件的碳納米管。碳納米管還能做到在重量比鋼輕的情況下，強度達到鋼的幾百倍。

　　「在那時候，碳納米管只是一種新材料，只是科學美麗的一角，」阿加延回憶道。「我甚至不說那個時候有炒作。那個時候只是激動。」

　　但是在新千年到來時，隨著碳納米管贏得了「奇迹材料」的名聲后，情況開始變化了。

　　體育產品公司在研究人員確認碳納米管材料能夠提供的優勢之前，就開始兜售含有碳納米管的設備。

　　科學家團體中也有些人，在沒有考慮過替代一個根基牢固、迅速發展的而且是日進斗金的硅基半導體工業需要多大的努力時，就開始將碳納米管粉飾為硅的接替者，阿加延說。

　　儘管如此，碳納米管生產商依舊懷著這些被吹噓出來的潛力能實現的心態開始了投資。到2012年，他們建造了年產能達到2800噸的碳納米管生產設備，安東尼·維卡里說。維卡里是一家獨立技術諮詢公司——勒克斯研究公司的高級分析師。然而，維卡里估計，對碳納米管的需求還沒有超過如今產能的20%。

　　這種不平衡的原因部分在於被生產出來的材料本身。科學家們說，大多數能通過商業途徑獲得的碳納米管是「髒的」。樣品中經常包含多壁碳納米管——直徑逐漸減小的單壁碳納米管疊放在一個更大的單壁碳納米管中。樣品的直徑範圍還經常太寬，而且有許多雜質，比如金屬催化劑顆粒和無定形碳。

　　尖端電子領域應用需要高純度的、形狀近乎相同的單壁碳納米管。單壁碳納米管是以克或毫克為單位出售的,而容易生產的多壁碳納米管則是以噸為單位生產的。

　　儘管如此，製造商們仍希望多壁碳納米管能夠替代其他形式的碳用於鋰離子電池的電極材料和作為聚合物複合材料的纖維狀增強成分。

　　在2007年，《化學化工新聞》曾報道過市場研究機構弗里多尼亞集團預測2009年多壁碳納米管將會擁有價值1億2千萬美元的市場，到2014年會增長為4億7千萬美元（見2007年11月12日出版的《化學化工新聞》第29頁）。而當勒克斯研究公司2011年匯總多壁碳納米管的市場價值時，全球銷售量只有慘淡的1千萬美元，預計到2020年能勉強達到5千5百萬美元。

　　隨著現實與過高的期望無法匹配，有跡象表明業界對多壁碳納米管看好的態度開始淡化。拜耳材料科學於2013年退出了多壁碳納米管的生產，聲稱原因為市場過於碎片化，拜耳的退出使全球碳納米管的年產能減少了200噸。

　　雖然拜耳有能力將碳納米管從其產品系列中退出並翻過這一頁，但在過去的二十年間，許多小型碳納米管公司已經破產了。

　　

　　炒作的餘蔭

　　1990到2000年間各界對碳納米管的炒作不僅刺激了民眾的好奇心理，也帶來了擔憂。人們開始詢問這些被認為能改變他們生活的納米尺度的細管如果進入了人體會怎麼樣。納米管研究團體對這些問題並沒有充分的準備。

　　「多壁碳納米管變成了典型的『壞納米』」，萊斯大學斯莫里納米科學技術研究所的化學家詹姆士·M·圖爾說。「壞」在這裡表示有毒。

　　大的、剛性的多壁碳納米管如果被吸入，表現的會像石棉一樣讓人中毒，圖爾解釋道。而小的、有彈性的單壁碳納米管危險性則小得多，他敘述道。「儘管如此，人們總是把它們混為一談」，圖爾說。

　　「『碳納米管』確實是一大類不同材料的籠統名稱」，加州大學爾灣分校研究納米管電子學的物理教授菲利普·G·科林斯說。真正納米尺寸的單壁碳納米管和毫米長度的多壁結構的區別是很大的，但兩者都被稱為碳納米管。

　　這種不精確的語言，伴隨著想要在這一快速增長的領域中為自己謀得一席之地的研究者們提交的大量早期文獻，使得其含義特別容易令人混淆，科林斯說。

　　「亂七八糟的東西全被發表了。你能想象出的所有的東西都在那兒：『你能用碳納米管做美味的花生醬和果凍三明治』，」他笑著說道。

　　不幸的是，這其中還包括了一些顯得互相矛盾的重要結果。克林斯繼續說道：「納米管有毒，納米管無毒；納米管是完美的導體，哦不它們不是；納米管超級強勁，除非它們斷掉的時候。」

　　每項主張的正確性——每項其實都是能成立的——依賴於碳納米管的種類，依賴於它們被處理的方式以及它們被測試的方式。研究者們現在非常明確這一點，他們已經把許多必要的明確定義添加到了領域中，圖爾說。

　　但是早期的文獻對於新的納米管研究者來說依然存在著理解上的困難，特別是對研究生來說，他們必須弄清楚哪種主張在哪些條件下才是正確的，科林斯說。

　　費登·艾佛里斯也對進入材料領域研究的年輕科學家們表示擔憂。艾佛里斯是科林斯的博士后導師，他曾在IBM開展過一些最早的描繪碳納米管的特性的實驗。「要讓年輕人忽視炒作是很困難的，」他說。「太多的人追求時尚和潮流而不是自己的興趣。」

　　如今，當科學家們聚焦於研究一種新材料時，大家就會蜂擁去描述它的特性，在知名期刊上發表關於其屬性的文章，然後又轉向另一種材料，艾佛里斯說。「剩下一堆未完成的工作和未證明的理論，」他對化學化工新聞記者說道。研究者們研究出對一種材料的基本理解，但並不研究怎樣去使用它們。「沒什麼人願意去研究能夠帶來應用的難題。」

　　艾佛里斯補充說，許多學生受到「新型材料」研究的招牌吸引，覺得這類研究看得到發表引人注目的論文的希望，能為自己的簡歷增色。「這無可厚非，」他說，「他們需要找工作。」

　　另一個讓碳納米管研究對現在的學生失去吸引力的因素是研究資金比十年前更難得到保證，研究人員說。有些人將此種狀況歸因於資助機構追隨炒作，選擇將資金投入石墨烯和其他更流行的二維材料而不是碳納米管。

　　但並非每個人都同意這個觀點。米哈伊爾·C·（邁克）洛克是美國國家科學基金會（NSF）納米技術高級顧問，也是美國國家納米技術計劃（NNI）幕後的關鍵設計師。美國國家納米技術計劃（NNI）自其於2001年成立以來，已在納米技術研發領域投資超過220億美元（美國國家科學基金會是促成國家納米技術計劃的20個機構之一）。

　　「碳納米管是納米技術的一個組成部分，」洛克說，「在發展納米科學的進程中，組成部分是很重要，但他們並不是應用中的最終目標。」 美國國家科學基金會和國家納米技術計劃自2010年起，就更傾向于越過組成部分並朝著最終目標前進：即建設能為醫藥、工業和其他領域的問題帶來新的解決方案的納米技術體系，他說。

　　碳納米管的研究肯定幫助了研究者們進入建設這一體系的軌道，洛克說這一體系的雛形已經呈現，並將在未來的15年中持續發展。「碳納米管使得人們的注意力聚焦於理解納米尺度的物質，聚焦於製作新的工具，聚焦於能效和如何建立能夠跨學科的團體」，洛克解釋道。他相信這些理念有益於整個納米技術的發展，它們將會是碳納米管研究持久的遺產，它們的影響可能會比任何應用更加持久。

　　（本文原載2015年6月8日出版的《化學化工新聞》）