20世纪90年代初，在日本NEC公司筑波实验室的一次偶然发现把世界带进了碳纳米管时代。今天，人们对碳纳米管的研究兴趣仍有增无减，本文作者就这10年来的相关进展作一回顾——

图为理查德 · 斯莫里（Richard Smalley，右）相信，由饭岛澄男（左）发明并引起世界关注的碳纳米管将会是便宜而又无环境污染的材料

10年前，日本NEC公司筑波实验室的显微镜实验技术人员向饭岛澄男人们描述他怎样在干草堆中找到了一根针，从而引发了一场纳米科学的革命。饭岛澄男描述的针其内部是空的，它形成于石墨电极的末端，只有几个纳米宽、几微米长，其组成材料是纯碳。它是一个碳纳米管。

10年来，纳米管已经在许多方面有了实际的应用，并且还有许多方面的应用正处于开发阶段。纳米管大大提高了扫描探针显微镜的精度。它是纳米“镊子”的主要组成部分，这种纳米“镊子”能够捡起并且移动微小的颗粒。就在几个月以前，纳米管还被制成了计算机的基本组成砖块——逻辑门，大大增强了它们被用于制造电路甚至整个计算机的可能性。休斯敦赖斯大学的理查德 · 斯莫里说道：“纳米管将会成为廉价和无环境污染的材料，并会为人类带来意想不到的好处。”

碳纳米管的诞生正值物理学家和化学家寻找新的碳分子之际。1985年，英格兰苏克萨斯大学的哈里 · 科莱多（Harry Kroto）在休斯敦斯莫里小组的协助下发现了笼状的富勒烯分子。在石墨中，碳是分层排布的，在每一层里，原子与原子之间组成了一个个六边形图案。但是在富勒烯中，原子之间组成的是五边形，所以同一层中的原子可以形成一个空球壳。

1990年，一个由德国马克斯 · 普朗克核物理研究所（海德堡）的沃尔夫冈 · 克鲁茨西玛（Wolfgang Krotschmer）和亚利桑那大学（图森）的唐纳德 · 哈夫曼（Donald Huffman）领导的研究小组发现，通过在由氦包围的两块相互接触的石墨电极之间通电可以大量产生富勒烯。电流产生的热量将会使石墨蒸发，当气态碳原子冷却之后就形成了富勒烯。

从20世纪80年代开始，饭岛澄男一直在研究碳纤维的制备，碳纤维的制备方法跟富勒烯很相似。受到大批量制备富勒烯研究的启发，他对克鲁茨西玛和哈夫曼的实验条件进行了小小的改进。饭岛澄男把两个接触在一起的电极分开，让它们之间保持一段很小的距离，这样，在通电的时候就会在两个电极之间产生电火花。令他感到吃惊的是，他发现在负电极上长出了精细的碳针——纳米管。

纳米管看起来像一片片被卷进管子中的石墨一样，其尾部被各种形状的管帽所覆盖。跟富勒烯不同，纳米管是由一系列圆筒组成的，这些圆筒一环套着一环，跟俄罗斯方块似的。现在有证据表明饭岛澄男不是第一个发现碳纳米管的人（见《谁第一个看见了纳米管？》一文），但是，自从1991年他发表了那篇论文之后，研究人员才开始对纳米管进行深入的研究。

最初，致力于预言纳米管的物理和电学性质的理论家们对多层管的性质一筹莫展。但是，对于结构简单一些的单层管，计算就容易得多了；而对单层纳米管性质的预言则大大促进了以后的研究。根据理论家们的预言，单层纳米管是极其坚硬的，它们的行为或者跟金属导体相同，或者跟半导体相似，这取决于六边形阵列的取向相对于纳米管的轴向的交角有多大。人们认为多层纳米管中既包含金属导体部分，又包含半导体部分，它们是这两种碳管的混合物。所以，单层纳米管可以用来研究纳米管的“纯”电学性质，而多层纳米管不行。

1998年，戴宏杰（音译）和他在斯坦福大学的同事在基于纳米管电路研究方面取得的进展指出，在某种条件下，单个单层纳米管能够直接长在一个简单的电路上。戴宏杰对硅的表面进行加热，其结果使得硅片表面周围的甲烷气体分解，这样，在硅片上的两块金属块之间就形成了纳米管

直到1993年，研究人员才有能力制备单层碳纳米管。饭岛澄男小组和IBM阿尔马登研究中心（位于加利福尼亚州的圣约瑟市）的唐纳德 · 贝休恩（Donald Bethune）小组同时发现，在石墨电极中掺杂钴和铁可以促进单层纳米管的生长。

碳导线

导电性或许是碳纳米管最诱人的部分了。现在，商业化的硅芯片技术可以制造出宽约180纳米的导线。如果纳米管可以用作导线，那么导线的宽度至少可以减小一个数量级。另外，某些纳米管还是半导体，所以有些研究人员猜测，纳米管可以制成纳米级的元件，比如晶体管（晶体管能够转换或者放大电流）。今年，人们甚至还发现纳米管有时还显现出超导体的特征。当温度低于临界温度时，超导体的电阻变为零，但迄今为止，纳米管的最高临界温度只有15K，这对实际应用来说还是太低了。

经过改进，纳米管本身就可以制成电子元件。1998年，荷兰代夫特理工大学的西斯 · 戴克（Cees Dekker）研究小组把一个纳米管制成了晶体管。戴克让纳米管的两端跟金属电极相连，然后通电，让电流通过纳米管，接着在纳米管底端的第三个电极上施加电压，以改变纳米管导电的方式，这样就可以打开或者关闭流经纳米管的电流了。此后，其他研究小组陆续又研制成功了各种不同类型的纳米管晶体管。

逻辑门是制造计算机的基本电子元件，而晶体管又是逻辑门的基本部件。IBM公司的托马斯J · 沃森研究中心（位于纽约州的约克城）的费顿 · 艾韦里斯（Phaedon Avouris）及其同事发表论文，介绍了怎样通过连接两种不同类型的纳米管晶体管来制造最简单的逻辑门。这种逻辑门能够将逻辑输入“1”变为“0”，把“0”变为“1”。与此同时，戴克小组也制造出了功能较之复杂的逻辑门。

艰苦的奋斗

虽然这项研究的前景非常看好，但是纳米管技术要替代传统的硅片技术还是相当困难的，传统硅片技术已经达到了相当完善的程度。戴克说：“我并不指望10年内纳米管能够在逻辑电路或者计算机上的应用达到商业化的程度。”另外，要减少基于纳米管的电路的生产成本可能还要依赖于其他技术的发展，比如：至今仍未成熟的分子自组装技术。

在纳米管研制过程中，研究人员还对纳米管的力学性质激动不已。单层纳米管的强度非常大，它们比在合成材料中经常使用的传统碳纤维要坚硬得多。它们还可以被弯曲，对折之后它们还可以不带任何损伤地返回原状。

基于这些性质，纳米管的某些应用确实能够让人大吃一惊，例如，它们可以提高扫描探针显微镜的分辨率。通过移动探针的顶端，扫描探针显微镜可以为我们提供物质表面的图像，而图像的清晰度则取决于探针的顶端有多尖细。而且探针顶端越长，显微镜对物质表面的探测深度就越大。1996年，斯莫里及其同事指出，在显微镜探针的顶端装上纳米管之后，显微镜的分辨率和穿透程度都提高了。而且，纳米管的高强度保证了探针在被推进物质表面内部深处时，仅仅被弯曲而不会突然折断。此后，哈佛大学的查尔斯 · 李玻尔（Charles Lieber）研究小组在他们的基础上更进了一步，李玻尔在探针顶端添加了一些化学基团。这样，显微镜就可以识别被测表面的化学组成了。进一步的工作显示，纳米管做的探针顶端能够携带包括生物大分子在内的各种物质分子，物质类型非常广泛。

李玻尔与他的同事菲利浦 · 金（Philip Kim，现在纽约的哥伦比亚大学）还把纳米管制成了极其精致的镊子。他们把两支纳米管附在带有两个电极的玻璃棒上，然后给两个电极加异种电荷，随即它们之间就产生了相互吸引的静电力，在静电力的作用下，这两个纳米管就相互弯曲了。李玻尔和金使用这种镊子捡起并且移动了微小的多聚物单体。一个由日本大阪县立大学中山由树领导的研究小组近来在扫描探针显微镜的探针顶端上也制造了一个类似的镊子，这项研究表明，在将来，显微镜不仅可以用来观测而且还可以用来操纵各种物质，比如单细胞等。

与以上这些工作一样，每一项在用显微镜可见的尺度上开发纳米管物理性质的工作也是同样令人兴奋的；材料科学家将来会在更长的尺度上利用纳米管的这些性质。但是目前，纳米管的长度还不到一毫米左右。去年，一个由法国波尔多大学的菲利普 · 波林（Philippe Poulin）领导的研究小组从杂乱无章的纳米管网络中制造出了纤维和丝带，但因纳米管不是连在一起的，所以这些丝带并不具有单个纳米管那样的高强度。

1999 年, 韩国三星高等技术研究所的金钟民（Jong-min Kim）及其同事开发了一种信息平面彩色显示屏, 这种新型显示屏采用纳米管代替电子枪, 这使得荧光屏上的磷粉变得更加明亮了

荧屏机枪

纳米管可以充当微型阴极射线管的关键部件。阴极射线管的体积较大，它在传统的电视机中使用得非常广泛。在这种新型阴极射线管中，电子在强电场的牵引下“飞”进纳米管的顶端，纳米管中的电子在微型电极的作用下聚集成束状。与之类似的装置已经出现很多年了，这些装置的电子发射器通常是用半导体或者金刚石做成的。但是，用纳米管做成的末端要比用其他物质组成的末端要尖得多；而且，电子发射器的末端越尖，析取电子所需要的电场就越弱。

为了使这项技术能够商业化，纳米管必须要非常容易获得并且价格要低廉。去年，斯莫里参与成立了一家以休斯敦为基地、致力于制造纳米管的碳纳米技术公司（CNI）。2001年9月，CNI开始投产，每天的产量为200克。现在每克纳米管的价格大约为500美元，仍然很昂贵，但是，大批量生产以后成本很快就会下降。CNI希望到2002年每天的产量能够达到9公斤，到2004年，每星期的产量可能会达到几千公斤。

斯莫里预计：“迟早有一天，全世界的纳米管年产量会达到几百万吨。”就像纳米管的科研应用与商业应用不断涌现一样，对它们的需求也在不断增加。这个领域的研究仍将继续成为研究的热点。纳米管的许多未来应用，包括纳米管在未来的交通工具（以氢气为动力）的燃料箱上的应用，已经在研究中了。不可否认，某些研究可能随时会失败；但是，现在看来，碳纳米管的影响力将肯定能够走出实验室，继而影响到整个人类的生活。

[Nature，2001年11月8日]