科学家锁定纳米碳管最小尺寸

　　纳米碳管的直径约有一根头发的千分之一粗细，但是最小的纳米碳管有多细？在最新一期世界著名科学杂志———英国《自然》杂志上刊登的论文指出，世界上最小纳米碳管的直径只有0.4纳米，并揭示了最小纳米碳管的发现过程及其系统制作方法和形成机制。近日，本报记者采访了该论文的第一作者秦禄昌博士。

　　-纳米碳管同DNA双螺旋结构有相似之处

　　当人们还未从“基因”的世纪预言中走出来，一场更为残酷的信息之战已悄然在世界各国之间打响。为迎接这一新的技术挑战，美国、日本及欧洲等工业先进国家先后制定了纳米技术发展规划，中国科学院也已于10月30日宣布成立纳米科技中心，从事纳米技术及相关研究。

　　每当人们谈论纳米技术时，无不详举纳米碳管作为一个重要的实例。纳米碳管自90年代初被发现，马上受到全球科学家的注目，很快就变成被研究最多的纳米材料。

　　记者：纳米碳管是怎么发现的？

　　秦禄昌博士：纳米碳管最先由日本科学家饭岛澄男博士于1991年发现。这是一个意外的发现。在1985年以前，人们认为碳的固体形态只有两种：金刚石与石墨。1985年发现了以碳60(C60)为代表的富勒烯，从而使碳结构这一古老的学科顿生活力。C60可由石墨碳棒电弧放电来合成，原理为将几十伏直流电压加在两根碳棒上，当两根碳棒距离很小时，就会产生电弧放电导致短路，而电弧放电产生的碳灰中含有大量的富勒烯。而当时人们的注意力自然都集中在观察碳灰上，饭岛澄男博士却去仔细观察了放电后在阴极上产生的沉积物———在沉积物中他发现了纳米碳管。这是一个完全意外的发现。重要的是，他没有忽略掉这个发现！

　　记者：什么是纳米碳管？

　　秦禄昌博士：石墨具有层状结构，可以看作是由原子纸一层一层堆叠而成。若将一层或几层这样的原子纸，卷成圆管形状，就是纳米碳管了。就结构而言，纳米碳管具有三个主要特征：同化管状；纳米直径和可以有螺旋结构，这同DNA双螺旋结构有相似之处。

　　-纳米碳管又可称为纳米材料之王

　　纳米技术正从科学幻想中逐步走入现实，21世纪的技术世界将以纳米技术为先导，从而在根本上革新现有的以微米技术为主体的微电子技术及其在各个领域中的应用，如生命科学、信息技术、能源等。

　　记者：纳米碳管已经变成最受注目的纳米材料，这是为什么呢？

　　秦禄昌博士：纳米材料是纳米技术的基础。而纳米碳管又可称为纳米材料之王，在新兴的纳米技术的开发性研究中，举足轻重。纳米碳管之所以在短短几年时间内受到如此重视，主要是由于经过这10年的基础研究与开发，纳米碳管具有广阔的应用前景。纳米碳管的特殊结构使得纳米碳管具有许多特殊性能，从而可以应用在电子、机械、医药、能源、化工等工业技术领域。

　　记者：纳米碳管有什么用途呢？

　　秦禄昌博士：举例说，一根纳米碳管由于其直径与螺旋角不同，既可呈金属性也可呈半导体性。利用这一性能，可以作出分子级的二极管，只有纳米大小，比现在通用的要小几百倍。在力学性能上，由于纳米碳管的结构完美无缺，使得纳米碳管具有接近自然界材料理论上的最高强度，比一般的钢要强几百倍。同时，纳米碳管的重量很轻，比重只及钢铁的十分之一，这一优越性能使得纳米碳管在复合材料领域有极大应用前景，对航空、航天领域可产生重大影响。

　　纳米碳管具有极好的场致电子发射性能，这一性能可用于制作平面显示装置取代体积大、重量重的阴极电子管技术。目前，这一领域的研究已接近产业化。除这些应用外，纳米碳管亦可用制作分子轴承和用于纳米机器人中；用做能量储存材料如存储氢气；用于医药技术中，可作为纳米容器实现剂量可控释放等等。

　　-最小的纳米碳管能制造最小的纳米机器人

　　因为纳米技术以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。科学家为我们描绘了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子器件，巨型计算机就能装入口袋里；世界上还将出现1微米以下的机器甚至是机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行点样检测等。

　　记者：您在英国《自然》杂志上发表的论文中称发现的最小的纳米碳管只有0.4纳米直径，同一般纳米碳管相比，有什么特殊性？

　　秦禄昌博士：前面曾经提到，纳米碳管取决于其直径与螺旋角，既可呈金属导电性，亦可呈半导体性。但是，当纳米碳管的直径小到0.4纳米时，所有的碳管都呈金属导电性。由于其结构的这一特性，使我们可以将最小的纳米碳管抽出来，而做出最小最细的金属线，这也可以是一个真正的点电子源，同样的结构，也是一个最小的分子轴承。除此之外，这一项结果也同时演示了利用电弧放电法合成最小富勒烯C20的可能性。

　　-让纳米技术长上“手”和“眼”

　　纳米是一种几何尺寸的量度单位，1纳米是1米的10亿分之一。人们普遍认为，纳米技术是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础，将对人类未来产生深远影响。

　　记者：纳米碳管对纳米技术至关重要，请介绍一下纳米技术。

　　秦禄昌博士：纳米技术是新兴学科，仍在成型阶段。是在90年代才逐渐兴起的新学科。实际上，即使在1999年出版的《韦伯大辞典》中，纳米技术仍被定义为科学幻想的一部分。但是，近几年的发展，已使纳米技术走出科学幻想，而变为现实技术的一部分。总的来看，纳米技术是指通过操纵原子、分子级的结构而实现制控材料功能的一项综合技术。现在科学家们已初步具备了纳米技术的基本组成：纳米材料、纳米手及纳米眼。

　　记者：请简单介绍一下纳米技术的“手”与“眼”。

　　秦禄昌博士：纳米材料是本，纳米材料功能的有效发挥是纳米技术的目的。纳米手与纳米眼是手段。纳米技术的“手”有许多形式。最直接的一种是纳米级的扫描探针。其功用有如冰球运动员手中的球棒，而冰球则可比做是原子，利用纳米级的扫描探针可以将原子或分子移到预定的位置上，即实现原子操纵。

　　纳米技术的“眼”是指具有原子级分辨能力的显微仪器。80年代以来已逐渐发展成熟。典型的有电子显微镜、扫描隧道显微镜及原子力显微镜等。

　　-秦禄昌博士简介：

　　1978年考入中国科技大学少年班，毕业后，考入中国科学院金属研究所，师从郭可信院士，学习材料科学及电子显微技术。获美国西北大学工学硕士及美国麻省理工学院科学博士学位。

　　多年来，致力于新材料的研究与开发，曾先后工作于澳大利亚国立材料新技术研究所、澳大利亚格林菲斯大学、英国布里斯托尔大学、德国尤利希原子核研究中心、日本电气公司(NEC)、美国阿贡国家实验室及美国国际商用机器公司(IBM)。现任日本科学技术振兴事业团纳米管专项研究员、日本国立金属材料技术研究所客座研究官。

　　自1994年起，从事纳米碳管及纳米金刚石研究，创立了结构测定的系统方法，并开发了多种制作技术，在《自然》等国际专业学术刊物上发表论文50余篇，是最小纳米碳管(直径为0.4纳米)的发现者。