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碳纳米管收音机与碳纳米试管(原创*科普) 精选

已有 8874 次阅读 2008-10-10 13:51 |个人分类:纳米科技|系统分类:科普集锦|关键词:学者

碳纳米管收音机与碳纳米试管

 沈海军

  随着人类文明的进步,科技的飞速发展,人类对物质世界的认识一直孜孜不倦地朝着宏观和微观两个方向延伸。一方面,人们正利用火箭、飞船等航天器探索着浩瀚的宇宙;另一方面,则又通过显微镜、微加工技术等手段观察和研究着身边的微观世界。在微观方面,纳米科技正如火如荼,并孕育着人类科技发展的新一轮产业革命。
  上世纪90年代初,作为纳米材料科学中的主角之一,碳纳米管一经出现,就立即引起了科学家们们的广泛关注,并迅速在微机电、生物医学、材料增韧、微加工、化工、氢能存储等领域中展现出了巨大的应用潜力。碳纳米管之所以具有如此广阔的应用前景,这主要归功于自身奇特的分子结构以及热、电、磁、光与力学特性。现在,在复合材料上,碳纳米管已经被用于增强树脂、陶瓷,改善复合材料的电磁特性;在电子材料方面,已开始被用作电池电极、超微电容、纳米晶体管等;在纳米制造技术方面,已被用作扫描隧道显微镜的探针,制备纳米线的“模具”;在化工方面,已被用作某些化学过程的催化剂载体、有机化学原料,乃至特定反应的微试管。
  有趣的是,近来科学家们已经利用碳纳米管,研发出了世界上最小的收音机,以及尺寸极小的纳米试管。碳纳米管的发现、碳纳米管收音机与碳纳米试管的诞生…… 这些日新月异的纳米科技成果,正引领人们在生物医药、微纳电子、物理化学等领域进入一个全新的境界。    
  
* 神奇的碳纳米管
  石墨是人们日常生活中随处可见的一种材料,在铅笔芯、电池电极、煤碳中都可以看到。作为石墨的“孪生姐妹”──金刚石,长期以来倍受人追捧,常被用来制作钻戒、耳环等名贵饰品。1986年,美、英科学家们又发现了碳家族中的另一成员--C60富勒烯,一种由60个碳原子组成的笼状分子。至此,石墨、金刚石和碳富勒烯成为碳的三种重要的同素异构体形式。
  1991年,日本NEC公司的斯莫利教授在使用电弧蒸发石墨制备C60富勒烯时发现,除了C60富勒烯以外,电极上似乎还有一些呈针状的产物。这些针状产物在高分辨电子显微镜下呈现为多层的中空的管状结构,如图1(a)所示,这就是所谓的多壁碳纳米管。此后不久,斯莫利又在电弧蒸发石墨的电极上添加一定的催化剂,进而得到了仅具有一层管壁的纳米碳管,即所谓的单壁纳米碳管产物,如图1(b)所示。作为一种崭新的碳素材料,不管是多壁的碳纳米管也好,单壁的碳纳米管也好,它们的壁都可以被视为是石墨层片“卷起来”形成的圆筒。碳纳米管的直径非常小,一般仅为几到几十纳米左右(1纳米等于10-9米),相当于人类一根头发粗细的10万分之一。
  自从1991年被发现以来,碳纳米管特殊的分子结构就引起了来自材料、物理、化学、微电子、医药等学科领域的研究者们的浓厚兴趣。现在,力学与机械学家发现,碳纳米管的抗拉强度和韧性在目前所有的材料中是最高的。如果把它添加到普通的金属和塑料中,用这种材料织成线,做成运动防护品,比如足球运动员的护腿,那绿茵场上就不会伤情不断了;将碳纳米管加入树脂中,可制备出韧性、强度等力学性能优越的复合材料;异想天开的人们,甚至还勾画出这样一幅蓝图:用碳纳米管做成“天梯”直达月球。


  微电子学家发现,纳米碳管的导电性可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根纳米碳管上的不同部位有不同的导电性。这主要由碳管管壁上的分子结构决定;如图2所示,将碳纳米管置于两个电极(通常称作“源”和“漏”)之间,并在其下方布置硅做的辅助电极(通常称作“门”),这样就会形成具有宏观三极管电学功能的微电子元件;将金属性碳纳米管与硅纳米线对接,这种金属-半导体异质结构具有二极管的整流作用;纳米碳管的电学性能和所处气氛有关,在不同气体气氛下,其电阻会发生改变,因此,根据这一现象,有可能把碳纳米管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。
  材料学家发现,纳米碳管的宽带微波吸收性能优良,具有重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点,可用于制作特殊用途的隐形材料、电磁屏蔽材料和微波暗室吸波材料;碳纳米管具有中空的结构,可以作为“储存”氢气的容器,被其储存起来的氢气密度,甚至比液体或固态氢气的密度还高。
  化学家发现,碳纳米管的比表面积(材料外表面与材料质量之比)很大,气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍,担载催化剂后可极大提高催化剂的活性和选择性;利用中空的碳纳米管作“模板”,在其内部填充金属或非金属原子,可制备出非常细的金属或非金属原子纳米线。
  微计量学家发现,用碳纳米管作为扫描隧道显微镜的探针,可实现单个原子或分子的识别,甚至可以操纵单个原子或分子。
  ……
* 碳纳米管收音机
  每年,美国《技术评论》杂志都会评出前一年度的10 大新兴技术,并预计这些技术将在未来几年对我们的生活和社会产生重大影响。2008 年评选出的这些即将走出实验室、迈向实践的10 大新兴技术涵盖了能源、计算机硬件和软件以及生物成像等领域。其中,碳纳米管收音机被公认为是碳纳米管在微波领域中应用的一项成功范例,是一项了不起的工程壮举。
  碳纳米管收音机是美国加州大学物理学家泽托教授于2007年研制的。这是迄今为止世界上最小的收音机:它的核心部分由单一的碳纳米管构成,人们加上电池和耳机就能用它收听到自己中意的广播节目。这种碳纳米管收音机比人类首批商业化的收音机要小1000亿倍。

  图3(a)、(b)分别给出了传统的收音机及碳纳米管收音机的工作原理。传统的收音机一般由天线、调谐器、放大器、解调器和喇叭等几个相互独立的部件组成,其工作原理大致如下:首先,天线通过电谐振接收广播电台的电磁波;然后,调谐器将高频的电磁波信号转化为带有声音信息的低频信号;接着,低频信号经放大器放大,再经解调器将交流电转化为直流电;最后,直流电加至喇叭,就可以得到美妙的声音。在碳纳米管收音机中,碳纳米管集天线、调谐器、放大器和解调器功能于一身。如图3(b)所示,纳米收音机的碳纳米管被置于真空管中,并将一端固定在电池的负极上。碳纳米管的另一端(即自由端)和电池正极之间留有纳米量级的间隙。如果电极间的电压足够高,正极能将碳纳米管自由端的电子夺过来。当广播电台的无线电信号经过该碳纳米管收音机时,其产生的电场将不断“推”和“拉”纳米管的自由端,也就是碳纳米管随无线电信号发生共振,利用这种共振现象及回路中相应的电流变化就可以探测到无线电信号。这里,回路中受无线电信号感应得到的高频交变电流信号后经碳纳米管“调谐”、“放大”和“解调”后,便会转化为携带声音信息的低频信号,进而,通过喇叭等播出声音。
  通过上述传统收音机及碳纳米管收音机的对比可以发现,碳纳米管收音机有如下几个鲜明特点,1)具有更少的独立部件;2)体积及尺寸极小;3)通过纳米管的机械振动来接收电磁波,就像弹动吉它的弦一样,而非传统天线的电谐振。
  泽托教授称,虽然目前纳米收音机还只是设定成无线电接收器,但它也可改变成无线电发射器。他还说,纳米收音机将具有广泛的应用途径,比如,附在微型化学传感器上的纳米无线装置,可植入患有糖尿病或其他疾病的病人血管内。如果传感器探测到一种不正常的胰岛素水平或其他一些目标化合物,发射器可将相关信息传送给一个探测器,或者甚至可能是一个可释放胰岛素或其他治疗药物的植入式胶囊。
  总之,碳纳米管收音机将具有广泛的应用途径,它将其它无线电部件缩小到纳米尺度成为可能,这将最终带来“真正整合的纳米无线传输系统”。这类装置可在不久的将来用于多种工业、商业、医学和其它用途。

* 碳纳米试管
  自从诞生之日起,碳纳米管几乎理想的一维纳米中空腔就引起了化学家们的浓厚兴趣。开口碳纳米管的中空管腔已经被预言可作为纳米试管、虹吸管、缓释药物的载体,储能材料等,进而产生了一个新的纳米化学学科分支---“管中化学”。
  1)分子定向反应
  化学家在做化学实验时,最常见的情形就是将两种溶液在玻璃试管中混合,并进行化学反应。然而,一些情况下,反应物分子表面可能存在若干个化学活性点,这将导致反应产物也可能有若干种。化学家要从分子层次上认识、并有效控制某种特定的反应,显然,传统实验方法具有很大的局限性。现在,一些化学家已经开始用碳纳米管可作为试管,尝试分子的定向反应。那么,为什么利用碳纳米试管可以进行分子的定向反应呢?这主要是由碳管内部管腔微小的体积决定的。由于纳米管内空间极其有限,各分子进入其中后,受管壁约束,只能保持某种特定的“姿态”,这正好为分子间的定向反应提供了很好的条件。
  2)缓释药物的载体
  人体是一个不断循环的代谢系统。当人们生病时,难免要吃药。然而,多数情况下,只有一小部分药物的有效成分被人体吸收,绝大部分都还没有来得及吸收,就已经被人体器官分解、循环、排解掉。寻找药效持久的缓释药物一直是无数医学工作者们的梦想和愿望。由于碳纳米管对生物无毒性,中空,且稳定性好,因此,作为缓释药物的载体,被许多研究者看好。事实上,即使一些非常普通的药物,一旦装入碳纳米管,由于装载的药物只能从碳管的两个开口端释放,同样可以达到“药物缓慢释放,药效持久”的目的。最近,笔者的一项研究表明,目前的单壁碳纳米管非常适合装载鸦片类戒毒药物--美莎酮,也就是说,装载美莎酮后的碳纳米管极有可能成为一种新型的戒毒缓释药物。
     3)制备纳米线的模板
     鉴于碳纳米管中空的结构,人们设想,是否可以利用其作为模板,在内部填充金属或非金属物质,进而制备出超细的纳米线。实践表明,上述设想是可行的。现在,化学家们正利用这种方法,备出银、金等纳米线,而这种纳米线极有可能在未来的纳米计算机或量子计算机上取得重大的应用。
  4)超微吸管
  最近,日本的一个研究小组开发出了一种装备有机纳米管的超微吸管,能喷出万亿分之一毫升的液体。据报道,该纳米管由碳、氧、氮和氢分子构成,内径50纳米。它可以装在内径1800纳米的玻璃微吸管尖端上,组成一个超微吸管;通过施加电压,吸管内的液体就会喷射出来,喷射量可通过调整电压控制,其精度比以往微吸管提高了上万倍。上述报道是关于某有机纳米管的。事实上,从理论上讲,碳纳米管也完全可以用来制作类似的超微吸管。这些超微吸管可望应用于医疗和生物领域,比如向单个细胞内注入极其微量的物质或吸取细胞成分等。


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