「小題」大作：碳納米管的故事 （下）

　　發布日期：2015年09月23日   科學公園

　　在碳納米管剛進入現代世界的時候就已經參與研究的阿加延承認，他仍然認為碳納米管替代硅是一個遙不可及的概念炒作幫助了這個領域發展，但是炒作也傷害了這個領域。但不論炒作是好是壞，他說，都是不可避免的。類似的炒作現在正在石墨烯和其他2-D材料上發生，也將會在以後出現的任何材料上發生。「這是事物的本質，可能理解這個概念將會是碳納米管的革命。」

　　[美]馬特·戴文波特/文 雯熙她爸/譯

　　

　　碳納米管的溶液（右）和用碳納米管製成的感測器（左）（圖片來源：http://phys.org/news/2013-09-car ... xible-low-cost.html）

　　複合材料競爭者

　　碳納米管已經在實際應用領域確立了它們的位置，雖然主要用途是作為增加複合材料的強度或是提高鋰離子電池性能的填充材料。儘管這些技術不如下一代晶體管那麼吸引人，但它們已足夠成功，使得如同Zyvex Technologies這樣的公司能夠持續經營。

　　公司的成功，部分來源於直接正視被誇大的預期，Zyvex的董事長蘭斯·克里斯庫洛說。「我們盡全力去校正客戶的預期」，他解釋道。

　　公司仔細地列出了他們主要的多壁碳納米管產品相比於更傳統的產品、比如碳纖維複合材料的優勢，他說。

　　公司的成功過程中，化學也扮演了重要的角色。碳納米管傾向於相互粘結在一起，不和其他的東西抱團，使得它難以在高聚物基質中分散，從而難以在複合材料中利用它們的機械性能。Zyvex使用共軛聚合物將碳納米管改性，使之更好地和樹脂成為一體。

　　美國國家航空航天局（NASA）在碳納米管方面的前進道路也是和直接質疑炒作相關，高級研究員艾米麗·J·（米亞）索契說。

　　NASA的研究團隊在2008年後退一步，開始將碳納米管複合材料和已經在使用的材料作比較。「如果要說碳納米管是革命性的材料，革命性到底在哪？」索契問道。「這就意味著它們必須令人相信它們能替代目前技術上最先進的材料。」

　　研究人員們認為，如果想要改進現有的複合材料，就需要瞄準一個確切的目標。因此索契和她的團隊詢問NASA的其他材料科學家：「我們要做到比碳纖維複合材料好多少，你們才會關注，碳納米管才會有影響？」

　　那次討論之後，索契團隊決定將目標定為使碳納米管材料在「比強度」（注）上超越碳纖維複合材料——「比強度」是一種與密度相關的衡量材料強度的方法。將現有複合材料的比強度翻倍的話，航天器的重量能減少數千磅，索契說。

　　索契團隊與他們的納米管材料供應商Nanocomp Technologies合作，現在已經製造出碳納米管佔了材料本身重量的70%-80%的複合材料。要最優化這些材料，NASA還有很多工作要做，索契說，但是最近的成果是鼓舞人心的。

　　她也相信她的團隊的方法能應用於碳納米管研究的其他領域。「我想我們只需要開始考慮究竟是哪些具體的問題使得這種材料難以得到應用」，她說，「碳納米管潛力實在太大了，我們不得不去了解怎樣才能利用它。」

　　從填充物到殺手級應用

　　萊斯大學研究材料的理論家伯瑞斯·I·雅各布森正處於參加一個會議的會間休息中。他和《化學化工新聞》的記者坐在弗吉尼亞阿靈頓凱悅酒店空無他人的餐廳里，在他的筆記本上繪出了一條炒作周期曲線。

　　曲線傾斜上升至頂峰——過高期望的峰值——然後下降到泡沫化的低谷期。然後它又稍稍反彈了一點點。雅各布森拿起筆在曲線的低谷和終點之間敲擊：穩步爬升的光明期。「我想我們正處於這個位置」，他說。

　　

　　碳納米管曲折的發展歷程

　　對於他的主張，雅各布森有許多理由，多數都和樣品的均一性有關。納米管製造者們對於生產用於高科技電子產品的單壁納米管確實越來越得心應手了，但這只是問題的一部分。

　　為了理解納米管的均一性，雅各布森建議考慮純度對有機合成化學家的意義。純的樣品包含的是完全相同的分子，元素組成和原子之間的結構都相同。「他們決不會說，『嘿，誰想要這桶碳氫化合物的混合物？』」他解釋道。

　　然而碳納米管，就是典型的一包或者一桶混合物。每根碳納米管都是由一種原子構成，但是納米管是捲曲的，或者說是手性的。捲曲的程度決定了碳納米管的物理化學性質。

　　即使有一種生長方式能獲得相同直徑的碳納米管，通常獲得的也是隨機捲曲的碳納米管的混合物。然而兩個不同的研究團隊最近研究出了控制碳納米管手性的的方法。

　　雅各布森說這些結果雖然令人鼓舞，但他並不確信哪一種方法能夠放大到工業處理過程中使用。商業合成手性可控的碳納米管需要很多年的研發，他說。與此同時，研究人員們已經找到了依據不同手性分離非均一性樣品中不同碳納米管的方法。

　　大約從2003年起，也曾在IBM公司和阿弗瑞斯一同工作過的馬克·C·赫薩姆在西北大學開始了碳納米管研究工作，他很快就意識到如果他要研發出創新性的技術，就需要數以十億計的相同的碳納米管。他認為分離的方法或許會有幫助。

　　雖然手性是純度問題的根源，但是赫斯曼的團隊意識到它也可能是解決問題的辦法。半導體性的碳納米管和金屬性的碳納米管捲曲的程度不同。這種不同會影響碳納米管在水中和表面活性劑分子的作用。

　　碳納米管的手性決定了表面活性劑分子在其表面上的排列方式。因此，表面活性劑分子以不同的方式裝飾了捲曲度不同的碳納米管，這種表面化學上微妙的不同會對碳納米管的浮力產生細微的影響。研究人員利用這個不同點，在超高速離心機的幫助下，將碳納米管分成了手性相同的許多組。

　　赫斯曼的團隊是在2006年底開始分離半導體和金屬性碳納米管的，之後立即就有幾十至上百名研究者打來電話請求提供樣品，赫斯曼說。「幾個月內，我們就籌集到了開公司的錢。」這個名叫NanoIntegris的公司於2012年被加拿大單壁碳納米管製造商Raymor Industries收購。在其他研究團隊開發不同的分離方法期間，赫斯曼說Nanointegris公司在碳納米管分離市場上處於實質性的壟斷地位。

　　這家公司提純過的碳納米管最近的售價為每毫克幾百美元，但赫斯曼說高科技設備只需要價值1美元的碳納米管就夠用了。

　　那麼這些高科技應用到底是哪方面的？「我仍然沉溺於要找到碳納米管的殺手級應用，」赫斯曼對《化學化工新聞》記者說，「我覺得電子設備方面是最可能的。可印刷、可穿戴、可彎曲的電子設備。」

　　繼續還是放棄

　　單壁碳納米管變得越來越容易獲得。比如，一家新成立的公司OCSiAl通過一項對等籌款程序向各研究計劃提供了共計1噸的碳納米管產品。此外，提純方法也在發展，可控碳納米管的合成似乎也有了眉目。碳納米管處於穩步爬升的光明期，向前展望並預測將會出現的事物是很誘人的。但碳納米管的研究人員們更了解內情。

　　「去信誓旦旦地預測5年之後的技術會怎樣的做法是很愚蠢的，」喬治·S·圖列夫斯基說，他是IBM的一位化學家，目前正在嘗試製造性能超過硅電子設備的碳納米管晶體管。雖然這聽起來好像碳納米管炒作又要重來了，但是圖列夫斯基還是抱有謹慎樂觀的態度。

　　現在與15年前不同的是，每個人都清楚地知道他們需要超越硅，但硅工業不會坐以待斃。「沒有人會等待碳納米管趕上來，」圖列夫斯基說，「硅也在以自己的節奏前進。」

　　但相對於硅，碳納米管有著與生俱來的尺寸優勢。硅晶體管元件是從整體的硅上刻下來的，這種自上而下的方法獲得的硅晶體管尺寸小到一定程度就是極限了，這樣就會使迄今為止都未間斷的晶體管和計算機技術微型化趨勢停止。但是研究人員們能輕易地製造出尺寸是目前最小的硅元件的幾分之一的碳納米管。

　　對於IBM來說，這一優點就讓碳納米管值得探索，但IBM並沒有把雞蛋都放在碳納米管這一個籃子里。該公司正要投資30億美元於高級計算機技術，包括量子和神經形態計算。

　　沒人能保證碳納米管晶體管能替代硅技術，甚至它們是否需要代替硅也不好說。圖列夫斯基清楚地知道這些，但是他說在嘗試製造碳納米管處理器的過程中有許多可以學習的東西。

　　「我認為現在是研究碳納米管最有趣的時期，」他說。他提到碳納米管領域的炒作在發展到能夠容易地得到純的單壁碳納米管的程度之前就偃旗息鼓了，這是不幸的。「但是沒有炒作的話，我們什麼結果都得不到，」他說，「你需要那種初始的爆髮式的人力、財力和能量的投入。」

　　回到萊斯大學，在碳納米管剛進入現代世界的時候就已經參與研究的阿加延承認，他仍然認為碳納米管替代硅是一個遙不可及的概念。他同意圖列夫斯基炒作幫助了這個領域發展的觀點，但是炒作也傷害了這個領域。

　　但不論炒作是好是壞，他說，都是不可避免的。類似的炒作現在正在石墨烯和其他2-D材料上發生，也將會在以後出現的任何材料上發生。

　　「這是事物的本質，」在掛斷電話之前阿加延對《化學化工新聞》記者說。「可能理解這個概念將會是碳納米管的革命。」

　　【譯者注】比強度指材料的強度（斷裂時單位面積所受的力）除以其密度