书城教材教辅中学理科课程资源-走近物理前沿
45108400000013

第13章 纳米技术的研究与开发(6)

研究者先利用六角形的碳原子单片,然后将其卷曲制成微米级长和纳米级宽的碳纳米管。接着,在末端覆盖上布基球(由60个碳原子组成)层。“就负重强度而言,碳纳米管至少是钢丝的50倍”,法国PaulPascal——CNRS研究中心的化学家Poudin这样评价道。当碳纳米管干燥时,就相互连接在一起形成了薄片,称为“布基纸”。

只是布基纸并不具有单个碳纳米管的超强性质。因此,科学家们得出结论,不能将其制成纸状物,制成线状物才有用。

在这种结论下,Poulin和他的同事将精心制成的碳纳米管溶液注入旋转的聚乙烯乙醇溶液。如果碳纳米管的起始浓度配置得正为合适的话,它们就会形成一条网状带,当从旋转容器中分离时,它就会自然形成线状物。Poulin说,虽然这些利用碳纳米管制成的“绳子”的延伸性不如碳纳米管原来的特性,但其延展性会超过高强度尼龙纤维的3倍。随着加工工艺的改进,这些绳子的功能将会提高。

同样,由材料学家.Baughman领导的研究小组对Poulin小组的工艺进行改进后,现在能生产出一些更为耐用的碳纳米绳子。当然,还有其他一些小组也开始进行碳纳米绳子的研制工作。

纳米平板显示器。利用碳纳米管制作平板显示器的研究作也在进行中。目前,电视机的显像管和计算机的显视器,都依靠电子枪向荧光屏顺序发射电子获得各种图像。如果在荧光屏表面涂敷上百万个碳纳米管,分别控制每个像素,就可代替电子枪。1999年圣诞节,韩国成功地制成一台9英寸平板显示器,原型机所需功率仅为液晶显示器的一半;碳纳米管的寿命为一万小时,符合电子界的要求。

和传统显示器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45℃到零上85℃都能正常工作,因此拥有极广阔的潜在市场前景。

在国家自然科学基金委、教育部等部门的支持下,我国科学家正在继续攻关,更多的成果有望在近期内取得。“我们的目标是在碳纳米管场发射平板显示器市场占有一席之地。”

制成高强度树胶。由于碳纳米管强度高,科学家希望将其作为树胶添加剂,以增强树胶的强度,但在技术上尚有难度。超细纳米管的出现为解决上述问题提供了可能。日本研制的这一新纳米管已经达到了超细的程度。如果掺入树胶,这种纳米管可在分子等级上与树胶混合形成高强度树胶,用于制作小型精密机械用树胶齿轮,也可用于制作不易破损的轻型透明树胶基片。

为了能使这一技术实用化,研究人员计划在二三年时间内开发出能够批量生产超细纳米管的技术。

在电子领域的应用。IBM公司纳米科技小组的主管Avouris曾经说过,大约10年之后,硅器件的进一步发展可能会遇到巨大的障碍。因此电子行业已经开始寻找实用的替代材料。

一个可能的替代方案是寻找一种完全不同的元素来作为电子技术的基础,碳就是最有把握取得成功的一种元素。

1998年,Avouris和荷兰Deifit工科大学的Dekker证明,单根碳纳米管可以构成一个晶体管。

1999年,他们与朗讯技术公司共同声明,单根碳纳米管确实可以起到整流二极管的作用,流过半导体碳纳米管的电流强度的改变可以跨越5个数量级。因此,碳纳米管是一种优良的开关。

最好的导热材料。碳纳米管目前是世界上最好的导热材料。碳纳米管依靠超声波传递热能,传递速度为1万米/秒。即使将纳米管捆到一起,热量也不会从一个纳米管传到另一个纳米管。这些特点可使碳纳米管成为今后计算机芯片的导热板,也可用于发动机、火箭等高温部件的防护材料。

虽然碳纳米管优异的性能使其有着美好的前景,但普及化尚需走过漫长的道路。另外,碳纳米管的价格过于昂贵,约为黄金的10倍,如果不加快研究进展,降低成本,会大大影响碳纳米管的实际应用。

(十五)用DNA制造出纳米镊子

如果有一种超微型镊子,能够钳起分子或原子并对它们随意组合,制造纳米机械就容易多了。英国《自然》杂志上曾报告说,科学家用DNA(脱氧核糖核酸)制造出了一种纳米级的镊子。他们称DNA纳米镊子是利用DNA自我组合原理进行设计的,以自然发生的化学反应为基础,具有自行组装能力。

研究人员设计出三条DNA链A、B和C,利用DNA基本元件碱基配对机制,使A的一半与B的一半结合,A的另一半与C的一半结合。在A连接B与C的地方有一个活动“枢钮”,这样就构成了一个可以开合的镊子,开与合相当于计算机中最基本的“0”与“1”状态,而其大小只有针头的十万分之一,每条臂只有7纳米长。

一般情况下,镊子保持“开”的状态。利用另一条设计好的DNA链D,使它分别与B和c上碱基未配对的部分结合,就把B和C两臂拉到一起,使镊子合上。同时,D仍留出一部分未配对的碱基。再添加一条DNA链E,使它与链D上碱基未配对的部分结合,把D拉离镊子,就能使镊子重新张开。重复添加链D和链E的过程,就能使镊子反复开合。由于这个镊子的开合需要在DNA链D和链E的作用下才能进行,所以科学家将DNA称为这种镊子的“燃料”。

科学家依靠荧光现象来观察“镊子”开合,他们在DNA发动机的末端设置了一对经过染色的分子,当激光激发了这对染色分子后,通过荧光的数量来显示“镊子”网臂间的距离。

DNA纳米镊子使未来计算机有望超微化。10至20年后,利用硅电路开发微型计算机将非常困难,科学家们一直在努力寻找使计算机体积变小的方法,试图突破目前以硅芯片为基础的计算机技术。有关专家认为,DNA纳米镊子预示着不久将可以制造出分子大小的电子电路,这种电路有可能取代现有的硅芯片电路,从而使未来的计算机体积更小、运算速度更快。

这种镊子尚不能真正用于制造纳米机械,因为目前还有许多问题需要研究,例如怎样用它钳住所需的分子或原子。

(十六)纳米火车

物理学家理查德·费曼说,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。

1986年,技术预言学家埃里克·德雷克斯勒在《创造的引擎》一书中描述了一个分子机器取代工厂的世界。这些微小的“装配者”将利用一桶一桶的原料,一个分子一个分子地制造出各种各样的东西。那么谁将承担运输原料的重任,是纳米火车。

美国科学家维奥拉·福格尔正在制造这种只有在显微镜下才能看见的火车。它以神经细胞中的微管片段为车厢,以牛脑中的驱动蛋白为牵引机车,可以在特氟隆轨道上运行,但是目前还不能装卸货物,也不能倒车,不过随着研究的不断深入与完善,一辆比汽车还灵活的火车会出现在科学家的眼里的。

将来,它们会和盒子工厂一同被出售,为人们制造出各种各样的产品而忙碌。不管这种火车能不能把我们带进埃里克德雷克斯勒的世界,但它有可能成为我们通向那个神奇世界最重要的环节之一。