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小木蟲論壇-學(xué)術(shù)科研互動平臺 » 材料區(qū) » 無機非金屬 » 綜合其它 » 碳納米管的故事
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碳納米管的故事 已有1人參與
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大約15年前，人們本以為世界將會見證一次革命的開始。科學(xué)家們在資金申請書和白皮書里，公共關(guān)系官員們在新聞發(fā)布會里，記者們在雜志文章中都表達著相同的觀點——碳納米管將會改變這個世界。然而這一切并沒有發(fā)生。那么到底發(fā)生了什么？研究了幾十年納米管的阿加延向《化學(xué)化工新聞》解釋了這個問題。簡單來說，他說，就是事實上每種激動人心的新材料出現(xiàn)時都會發(fā)生的同樣的事情：炒作。 對碳納米管的炒作已逐漸平息，但研究者認為這類結(jié)構(gòu)仍有發(fā)展?jié)摿?br /> [美]馬特·戴文波特/文 雯熙她爸/譯 普利克爾·阿加延一邊打著電話，一邊漫步于萊斯大學(xué)的校園中。天氣以任何標準來衡量都是又濕又熱，但對于休斯頓來說不過是司空見慣的又一天�；蛟S這是萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程系的首任系主任阿加延一直都從容冷靜的原因。 “接著說，”他對著電話說，從他的聲音中能聽出一絲笑容。“有什么難題盡管問吧�！� 大約15年前，人們本以為世界將會見證一次革命的開始�？茖W(xué)家們在資金申請書和白皮書里，公共關(guān)系官員們在新聞發(fā)布會里，記者們在雜志文章中都表達著相同的觀點——碳納米管將會改變這個世界。 它們能驅(qū)動更好的電視機，它們能替代晶體管和尖端電子設(shè)備中的硅，它們能用來建造太空電梯。但是納米管革命并沒有出現(xiàn)在電視機上，硅依然是半導(dǎo)體之王，能送人去月亮的太空電梯依然是一種憧憬。 那么到底發(fā)生了什么？研究了幾十年納米管的阿加延向《化學(xué)化工新聞》解釋了這個問題。簡單來說，他說，就是事實上每種激動人心的新材料出現(xiàn)時都會發(fā)生的同樣的事情：炒作。 研究者們一認識到納米管有優(yōu)異的性能，人們就開始暢想它的各種應(yīng)用，有現(xiàn)實的也有夢幻的。但科學(xué)家們還沒找到有效率地生產(chǎn)成本合適的高質(zhì)量碳納米管的方法。當更新的納米管技術(shù)沒能迅速地成型的時候，人們的注意力就轉(zhuǎn)移了。 許多把賭注下在納米管的前景上的公司失敗了，或者仍然在苦苦為自己的產(chǎn)品創(chuàng)造市場需求。許多科學(xué)家舍棄了納米管轉(zhuǎn)向石墨烯和其他被認為是“下一個大事件”的材料，使得很多納米管問題都懸而未決。隨著研究領(lǐng)域的萎縮，經(jīng)費也萎縮了。 但是，有部分公司還是能夠盈利的。仍然還有一些對前景樂觀的研究人員致力于納米管研究�！凹{米管是令人興奮的材料，”阿加延說。“它們是讓人著迷的材料，它們?nèi)匀挥袧摿Α！?br /> 對于納米管阿加延有著獨特的視角：他是首先對這類結(jié)構(gòu)使用這個名稱的人之一。在飯島澄男于1991年將碳納米管帶進全球科學(xué)家團體的視野的時候，他已經(jīng)在日本的電子產(chǎn)品公司NEC開始了與飯島的合作。 飯島并不是第一個發(fā)現(xiàn)碳納米管的人，但是他的工作為碳納米管設(shè)定了未來的道路。他意識到他的碳納米管就像單層的石墨卷曲成空心的圓筒。飯島和其他人很快就發(fā)現(xiàn)這些圓筒擁有不可思議的電性能和機械性能。 研究人員很快就研發(fā)出了在尺寸、導(dǎo)電性能和能耗方面都優(yōu)于硅晶體管元件的碳納米管。碳納米管還能做到在重量比鋼輕的情況下，強度達到鋼的幾百倍。 “在那時候，碳納米管只是一種新材料，只是科學(xué)美麗的一角，”阿加延回憶道�！拔疑踔敛徽f那個時候有炒作。那個時候只是激動�！� 但是在新千年到來時，隨著碳納米管贏得了“奇跡材料”的名聲后，情況開始變化了。 體育產(chǎn)品公司在研究人員確認碳納米管材料能夠提供的優(yōu)勢之前，就開始兜售含有碳納米管的設(shè)備。 科學(xué)家團體中也有些人，在沒有考慮過替代一個根基牢固、迅速發(fā)展的而且是日進斗金的硅基半導(dǎo)體工業(yè)需要多大的努力時，就開始將碳納米管粉飾為硅的接替者，阿加延說。 盡管如此，碳納米管生產(chǎn)商依舊懷著這些被吹噓出來的潛力能實現(xiàn)的心態(tài)開始了投資。到2012年，他們建造了年產(chǎn)能達到2800噸的碳納米管生產(chǎn)設(shè)備，安東尼·維卡里說。維卡里是一家獨立技術(shù)咨詢公司——勒克斯研究公司的高級分析師。然而，維卡里估計，對碳納米管的需求還沒有超過如今產(chǎn)能的20%。 這種不平衡的原因部分在于被生產(chǎn)出來的材料本身�？茖W(xué)家們說，大多數(shù)能通過商業(yè)途徑獲得的碳納米管是“臟的”。樣品中經(jīng)常包含多壁碳納米管——直徑逐漸減小的單壁碳納米管疊放在一個更大的單壁碳納米管中。樣品的直徑范圍還經(jīng)常太寬，而且有許多雜質(zhì)，比如金屬催化劑顆粒和無定形碳。 尖端電子領(lǐng)域應(yīng)用需要高純度的、形狀近乎相同的單壁碳納米管。單壁碳納米管是以克或毫克為單位出售的,而容易生產(chǎn)的多壁碳納米管則是以噸為單位生產(chǎn)的。 盡管如此，制造商們?nèi)韵Ｍ啾谔技{米管能夠替代其他形式的碳用于鋰離子電池的電極材料和作為聚合物復(fù)合材料的纖維狀增強成分。 在2007年，《化學(xué)化工新聞》曾報道過市場研究機構(gòu)弗里多尼亞集團預(yù)測2009年多壁碳納米管將會擁有價值1億2千萬美元的市場，到2014年會增長為4億7千萬美元（見2007年11月12日出版的《化學(xué)化工新聞》第29頁）。而當勒克斯研究公司2011年匯總多壁碳納米管的市場價值時，全球銷售量只有慘淡的1千萬美元，預(yù)計到2020年能勉強達到5千5百萬美元。 隨著現(xiàn)實與過高的期望無法匹配，有跡象表明業(yè)界對多壁碳納米管看好的態(tài)度開始淡化。拜耳材料科學(xué)于2013年退出了多壁碳納米管的生產(chǎn)，聲稱原因為市場過于碎片化，拜耳的退出使全球碳納米管的年產(chǎn)能減少了200噸。 雖然拜耳有能力將碳納米管從其產(chǎn)品系列中退出并翻過這一頁，但在過去的二十年間，許多小型碳納米管公司已經(jīng)破產(chǎn)了。 炒作的余蔭 1990到2000年間各界對碳納米管的炒作不僅刺激了民眾的好奇心理，也帶來了擔(dān)憂。人們開始詢問這些被認為能改變他們生活的納米尺度的細管如果進入了人體會怎么樣。納米管研究團體對這些問題并沒有充分的準備。 “多壁碳納米管變成了典型的‘壞納米’”，萊斯大學(xué)斯莫里納米科學(xué)技術(shù)研究所的化學(xué)家詹姆士·M·圖爾說�！皦摹痹谶@里表示有毒。 大的、剛性的多壁碳納米管如果被吸入，表現(xiàn)的會像石棉一樣讓人中毒，圖爾解釋道。而小的、有彈性的單壁碳納米管危險性則小得多，他敘述道�！氨M管如此，人們總是把它們混為一談”，圖爾說。 “‘碳納米管’確實是一大類不同材料的籠統(tǒng)名稱”，加州大學(xué)爾灣分校研究納米管電子學(xué)的物理教授菲利普·G·科林斯說。真正納米尺寸的單壁碳納米管和毫米長度的多壁結(jié)構(gòu)的區(qū)別是很大的，但兩者都被稱為碳納米管。 這種不精確的語言，伴隨著想要在這一快速增長的領(lǐng)域中為自己謀得一席之地的研究者們提交的大量早期文獻，使得其含義特別容易令人混淆，科林斯說。 “亂七八糟的東西全被發(fā)表了。你能想象出的所有的東西都在那兒：‘你能用碳納米管做美味的花生醬和果凍三明治’，”他笑著說道。 不幸的是，這其中還包括了一些顯得互相矛盾的重要結(jié)果�？肆炙估^續(xù)說道：“納米管有毒，納米管無毒；納米管是完美的導(dǎo)體，哦不它們不是；納米管超級強勁，除非它們斷掉的時候�！� 每項主張的正確性——每項其實都是能成立的——依賴于碳納米管的種類，依賴于它們被處理的方式以及它們被測試的方式。研究者們現(xiàn)在非常明確這一點，他們已經(jīng)把許多必要的明確定義添加到了領(lǐng)域中，圖爾說。 但是早期的文獻對于新的納米管研究者來說依然存在著理解上的困難，特別是對研究生來說，他們必須弄清楚哪種主張在哪些條件下才是正確的，科林斯說。 費登·艾佛里斯也對進入材料領(lǐng)域研究的年輕科學(xué)家們表示擔(dān)憂。艾佛里斯是科林斯的博士后導(dǎo)師，他曾在IBM開展過一些最早的描繪碳納米管的特性的實驗。“要讓年輕人忽視炒作是很困難的，”他說�！疤嗟娜俗非髸r尚和潮流而不是自己的興趣。” 如今，當科學(xué)家們聚焦于研究一種新材料時，大家就會蜂擁去描述它的特性，在知名期刊上發(fā)表關(guān)于其屬性的文章，然后又轉(zhuǎn)向另一種材料，艾佛里斯說�！笆Ｏ乱欢盐赐瓿傻墓ぷ骱臀醋C明的理論，”他對化學(xué)化工新聞記者說道。研究者們研究出對一種材料的基本理解，但并不研究怎樣去使用它們�！皼]什么人愿意去研究能夠帶來應(yīng)用的難題�！� 艾佛里斯補充說，許多學(xué)生受到“新型材料”研究的招牌吸引，覺得這類研究看得到發(fā)表引人注目的論文的希望，能為自己的簡歷增色�！斑@無可厚非，”他說，“他們需要找工作�！� 另一個讓碳納米管研究對現(xiàn)在的學(xué)生失去吸引力的因素是研究資金比十年前更難得到保證，研究人員說。有些人將此種狀況歸因于資助機構(gòu)追隨炒作，選擇將資金投入石墨烯和其他更流行的二維材料而不是碳納米管。 但并非每個人都同意這個觀點。米哈伊爾·C·（邁克）洛克是美國國家科學(xué)基金會（NSF）納米技術(shù)高級顧問，也是美國國家納米技術(shù)計劃（NNI）幕后的關(guān)鍵設(shè)計師。美國國家納米技術(shù)計劃（NNI）自其于2001年成立以來，已在納米技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域投資超過220億美元（美國國家科學(xué)基金會是促成國家納米技術(shù)計劃的20個機構(gòu)之一）。 “碳納米管是納米技術(shù)的一個組成部分，”洛克說，“在發(fā)展納米科學(xué)的進程中，組成部分是很重要，但他們并不是應(yīng)用中的最終目標�！� 美國國家科學(xué)基金會和國家納米技術(shù)計劃自2010年起，就更傾向于越過組成部分并朝著最終目標前進：即建設(shè)能為醫(yī)藥、工業(yè)和其他領(lǐng)域的問題帶來新的解決方案的納米技術(shù)體系，他說。 碳納米管的研究肯定幫助了研究者們進入建設(shè)這一體系的軌道，洛克說這一體系的雛形已經(jīng)呈現(xiàn)，并將在未來的15年中持續(xù)發(fā)展�！疤技{米管使得人們的注意力聚焦于理解納米尺度的物質(zhì)，聚焦于制作新的工具，聚焦于能效和如何建立能夠跨學(xué)科的團體”，洛克解釋道。他相信這些理念有益于整個納米技術(shù)的發(fā)展，它們將會是碳納米管研究持久的遺產(chǎn)，它們的影響可能會比任何應(yīng)用更加持久。 |
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huangdong712
禁蟲 (文壇精英)
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2樓2021-10-11 17:45:48
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