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cangyue5071

金虫 (正式写手)

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[交流] 二、超硬、超强、超级使用的纳米管

Alex Zettl 做出了你决不会看到的惊人设备—-至少你需要借助于电子显微镜。Zettl，一个共同负责Berkely实验室材料科学部（MSD）和在Berkeley的加里福尼亚大学的物理系工作的物理学家，曾独创世界最小人造轴承和机械开关、世界最小的室温二极管、本身具有潜在导线作用的“立方体管”（tube cube）电子管设备，从空管大分子做成的设备，其直径仅有几个纳米大小（米的负九次方）。称这样一种大分子为“纳米管”他们已经承诺为将到来的纳米时代加速许多纳米管的制造。

　　纳米管不仅要求全范围的电和热传导的性质，（它们传导热要比其它熟知的材料更好），而且它们要比钢高几百倍的强度，比金刚钻更耐用。它们使用于电上的潜力完全是令人惊奇的，如果把包装在半英吋立方体中的纳米管展开头尾相接，它们将伸展达到约250000里长。

　　Single-walled carbon nanotubes are so oxygen-sensitive that the absorption of even a few atoms of oxygen (shown in green) can change semiconducting tubes into conductors.

　　“最激动人心的事是我们现在在实验室里制造和研究的许多结构与我们每天的生活密切相关。从作为结构材料使用到电子材料，到化学传感器的使用”，Zettl说，“在几乎任何技术应用中，你都要想到纳米管对其产生的影响。”

　　纳米管是原子的两维晶体线片，它被卷曲并在卷曲的接缝处连结形成密闭的圆筒。最早的纳米管是从纯碳中制造的，天然形成一种气化碳棒烟灰残余，它们被拉伸形成粘土型或“buckyball”分子。60~70碳原为一蔟连结成六角环形石墨网眼。第一代是“复合壁纳米管”（MWNTs）大约5~40单壁纳米管（SWNTs）——意即管表面仅由一单层碳原子组成——每一个管就象俄罗斯布娃娃一样在里边做窝。后来，当科学家开始直接制造SWNTs时，他们发现了他们能拉出非常长的纳米线而不会损失任何强度和耐用性。

　　一旦为纳米管展示许多潜在的应用是巨大的，最具应用价值的长期设想将是在电子学方面。原则上，纳米管与用于电子设备上的硅起相同的作用，但当硅和其它半导体处于分子水平时就会失去传导功能。Zettl和他的研究室首次论证制造纯碳的天然电子设备。

　　依赖于纯碳纳米管的的直径和几何结构，它能传导电流，就好象它是金属或它能起到半导体的作用，这就意味着纳米管仅传导超越临界电压的电流。按照Berkeley实验室物理学家Marvin Cohen 和Steven Lonie(见40页报道)假设的理论，两终端电子设备，例如二极管，应该在两连接且不相同管之间的界面中制造，一端起导体作用，另一端起半导体作用。借助于扫描电子显微镜（STM）的帮助，Zettl和他的研究室沿着连接碳纳米管的长度方向测试了电导率，并确认了五角—六角对的缺陷（5~7碳原子），这一缺陷让电流只沿一个方向流动，相当于起整流器二极管的作用。

Telescop-image

　　“我们正在看到的是世界上最小的室温整流器，它仅是少数几个原子大小的整流器，”Zettl在1997年发现时说的。

　　寄希望于纳米管的另一个应用热点是在微电子机械系统或叫做MEMMs系统中。MEMs的开发曾因受到用硅或以硅为基础化合物制造出的所有设备，发生磨擦损耗而受阻。去年，Zettl和他的研究室把工程定制碳MWNTs用于似乎发生摩擦的轴承和开关上，结果证明了对MEMs的巨大应用价值。随着STM内高解象透射电镜的应用，研究人员剥离MWNT的外层并原封不动地突现核心纳米管。然后，他们验证该核纳米管能被制成环绕它的外壳滑进滑出，就象油井套管滑进滑出一样。

　　The controlled and reversible telescopic extension of multi-walled carbon nanotubes, as shown [above right] in both the transmission electron microscope image and the computer graphic [above], could lead to virtually frictionless nanoscale linear bearings and constant-force nanosprings.

　　“重复对套筒式纳米管片段作拉伸和收缩试验，并未暴露出对原子尺寸大小的磨损和疲劳。Zettl研究室的研究生Johon Cumings说， “因此，这些纳米管可构成近乎完美的无磨损表面。”

　　当全伸展的核管以小于100亿分之1秒钟的时间急速返回到它套筒时，使用套式纳米管是非常小且不可置疑地快速出现电子机械开关。

　　解释了兼而有之的功能，“因为核纳米管把电子传导给它的套壳，伸展时核心管能在金属之间架起桥梁，关闭电流，而当核纳米管收缩时，就接通电流。”

　　Zettl和他的研究室，随后很快和Berkeley外面的其他研究室合作，发现碳纳米管的电学性质对氧是如此敏感以致于己于暴露于空气中，能把半导体纳米管转化为金属导体。

　　用SWNTs作研究，研究人员研究了块状样品和单个分离管，测定了它的电导率、热电力和由温度梯度诱导的电压，在这些环境条件下，SWNTs随着从氧到真空再回到氧而逐步迁移。

　　Physicist Alex Zettl, shown here with a model of a carbon nanotube, has made ball bearings and mechanical switches far too small to be seen without the aid of an electron microscope.　　“当要了解气体吸附过程时，氧暴露的效果变得随温度而降低（有长时间的恒定期）且更不可逆，”Zettl说，“事实上，我们的转换测定表明，一旦SWNTs对氧暴露，不可能在室温下全脱氧，甚至在高真空条件下也如此。”

　　纳米管并不仅仅从纯碳中制造，任何具有形成象石墨片状样自然倾向的化合物都是纳米管材料。最使人感兴趣的非碳纳米管是取材于硝化硼，它是一种与管直径和几何结构无关的、具有统一电子带隙的化合物。这电的一致性意味着BN纳米管能被添加剂转化成象硅那样多的传导率。为制造大量的BN纳米管需要寻找确当的方法。

　　Zettl和他的研究室通过在充满纯氮气的反应槽中，使用在两根富硼电极之间剧烈放电的方法制造硼纳米管。这种等离子方法在产生灰色残留物和沿反应槽壁形成烟灰的状态中产生一种双壁BN纳米管。Zettl和他的研究室已经发现通过蚀刻去显出晶体的方法来制造BN ‘nanococoons’ 。再用选择的原子或分子去填充这些nanococoons，这一方法能为涉足化学和电化学工业而掌握重要的技术。

　　Transmission electron microscope images of a multiwall carbon nanotube being shaped. (a) A nanotube in its pristine form: it contains approximately 37 walls and has an outer radius of 12.6 nm. (b) A carbon onion has been inadvertently transferred to the nanotube end from the shaping electrode, but no attempt has been made to shape the nanotube. (c)(d) Results of the subsequent peeling and sharpening processes: the onion has simultaneously been displaced to a benign position down the tube axis. The shaped, or 'engineered', nanotube in (d) is thick and mechanically rigid along most of its length (not seen in the image), but tapers stepwise to a fine sharp tip that is electrically conducting and ideal for scanning probe microscopy or electron field emission applications. The final long nanotube segment contains three walls and has an outer radius of 2.1 nm.
　　“对于纳米管，我们走了25年的路还没有看到事情的开始，”Zettl说“这是一门急待开拓的科学，纳米管应处在销售—资本的连续操作过程中。”

[ Last edited by popsheng on 2008-11-9 at 20:02 ]

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