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新手已上路木虫 (职业作家)
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碳纳米管的故事 已有1人参与
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大约15年前，人们本以为世界将会见证一次革命的开始。科学家们在资金申请书和白皮书里，公共关系官员们在新闻发布会里，记者们在杂志文章中都表达着相同的观点——碳纳米管将会改变这个世界。然而这一切并没有发生。那么到底发生了什么？研究了几十年纳米管的阿加延向《化学化工新闻》解释了这个问题。简单来说，他说，就是事实上每种激动人心的新材料出现时都会发生的同样的事情：炒作。 对碳纳米管的炒作已逐渐平息，但研究者认为这类结构仍有发展潜力 [美]马特·戴文波特/文 雯熙她爸/译 普利克尔·阿加延一边打着电话，一边漫步于莱斯大学的校园中。天气以任何标准来衡量都是又湿又热，但对于休斯顿来说不过是司空见惯的又一天。或许这是莱斯大学材料科学与纳米工程系的首任系主任阿加延一直都从容冷静的原因。 “接着说，”他对着电话说，从他的声音中能听出一丝笑容。“有什么难题尽管问吧。” 大约15年前，人们本以为世界将会见证一次革命的开始。科学家们在资金申请书和白皮书里，公共关系官员们在新闻发布会里，记者们在杂志文章中都表达着相同的观点——碳纳米管将会改变这个世界。 它们能驱动更好的电视机，它们能替代晶体管和尖端电子设备中的硅，它们能用来建造太空电梯。但是纳米管革命并没有出现在电视机上，硅依然是半导体之王，能送人去月亮的太空电梯依然是一种憧憬。 那么到底发生了什么？研究了几十年纳米管的阿加延向《化学化工新闻》解释了这个问题。简单来说，他说，就是事实上每种激动人心的新材料出现时都会发生的同样的事情：炒作。 研究者们一认识到纳米管有优异的性能，人们就开始畅想它的各种应用，有现实的也有梦幻的。但科学家们还没找到有效率地生产成本合适的高质量碳纳米管的方法。当更新的纳米管技术没能迅速地成型的时候，人们的注意力就转移了。 许多把赌注下在纳米管的前景上的公司失败了，或者仍然在苦苦为自己的产品创造市场需求。许多科学家舍弃了纳米管转向石墨烯和其他被认为是“下一个大事件”的材料，使得很多纳米管问题都悬而未决。随着研究领域的萎缩，经费也萎缩了。 但是，有部分公司还是能够盈利的。仍然还有一些对前景乐观的研究人员致力于纳米管研究。“纳米管是令人兴奋的材料，”阿加延说。“它们是让人着迷的材料，它们仍然有潜力。” 对于纳米管阿加延有着独特的视角：他是首先对这类结构使用这个名称的人之一。在饭岛澄男于1991年将碳纳米管带进全球科学家团体的视野的时候，他已经在日本的电子产品公司NEC开始了与饭岛的合作。 饭岛并不是第一个发现碳纳米管的人，但是他的工作为碳纳米管设定了未来的道路。他意识到他的碳纳米管就像单层的石墨卷曲成空心的圆筒。饭岛和其他人很快就发现这些圆筒拥有不可思议的电性能和机械性能。 研究人员很快就研发出了在尺寸、导电性能和能耗方面都优于硅晶体管元件的碳纳米管。碳纳米管还能做到在重量比钢轻的情况下，强度达到钢的几百倍。 “在那时候，碳纳米管只是一种新材料，只是科学美丽的一角，”阿加延回忆道。“我甚至不说那个时候有炒作。那个时候只是激动。” 但是在新千年到来时，随着碳纳米管赢得了“奇迹材料”的名声后，情况开始变化了。 体育产品公司在研究人员确认碳纳米管材料能够提供的优势之前，就开始兜售含有碳纳米管的设备。 科学家团体中也有些人，在没有考虑过替代一个根基牢固、迅速发展的而且是日进斗金的硅基半导体工业需要多大的努力时，就开始将碳纳米管粉饰为硅的接替者，阿加延说。 尽管如此，碳纳米管生产商依旧怀着这些被吹嘘出来的潜力能实现的心态开始了投资。到2012年，他们建造了年产能达到2800吨的碳纳米管生产设备，安东尼·维卡里说。维卡里是一家独立技术咨询公司——勒克斯研究公司的高级分析师。然而，维卡里估计，对碳纳米管的需求还没有超过如今产能的20%。 这种不平衡的原因部分在于被生产出来的材料本身。科学家们说，大多数能通过商业途径获得的碳纳米管是“脏的”。样品中经常包含多壁碳纳米管——直径逐渐减小的单壁碳纳米管叠放在一个更大的单壁碳纳米管中。样品的直径范围还经常太宽，而且有许多杂质，比如金属催化剂颗粒和无定形碳。 尖端电子领域应用需要高纯度的、形状近乎相同的单壁碳纳米管。单壁碳纳米管是以克或毫克为单位出售的,而容易生产的多壁碳纳米管则是以吨为单位生产的。 尽管如此，制造商们仍希望多壁碳纳米管能够替代其他形式的碳用于锂离子电池的电极材料和作为聚合物复合材料的纤维状增强成分。 在2007年，《化学化工新闻》曾报道过市场研究机构弗里多尼亚集团预测2009年多壁碳纳米管将会拥有价值1亿2千万美元的市场，到2014年会增长为4亿7千万美元（见2007年11月12日出版的《化学化工新闻》第29页）。而当勒克斯研究公司2011年汇总多壁碳纳米管的市场价值时，全球销售量只有惨淡的1千万美元，预计到2020年能勉强达到5千5百万美元。 随着现实与过高的期望无法匹配，有迹象表明业界对多壁碳纳米管看好的态度开始淡化。拜耳材料科学于2013年退出了多壁碳纳米管的生产，声称原因为市场过于碎片化，拜耳的退出使全球碳纳米管的年产能减少了200吨。 虽然拜耳有能力将碳纳米管从其产品系列中退出并翻过这一页，但在过去的二十年间，许多小型碳纳米管公司已经破产了。 炒作的余荫 1990到2000年间各界对碳纳米管的炒作不仅刺激了民众的好奇心理，也带来了担忧。人们开始询问这些被认为能改变他们生活的纳米尺度的细管如果进入了人体会怎么样。纳米管研究团体对这些问题并没有充分的准备。 “多壁碳纳米管变成了典型的‘坏纳米’”，莱斯大学斯莫里纳米科学技术研究所的化学家詹姆士·M·图尔说。“坏”在这里表示有毒。 大的、刚性的多壁碳纳米管如果被吸入，表现的会像石棉一样让人中毒，图尔解释道。而小的、有弹性的单壁碳纳米管危险性则小得多，他叙述道。“尽管如此，人们总是把它们混为一谈”，图尔说。 “‘碳纳米管’确实是一大类不同材料的笼统名称”，加州大学尔湾分校研究纳米管电子学的物理教授菲利普·G·科林斯说。真正纳米尺寸的单壁碳纳米管和毫米长度的多壁结构的区别是很大的，但两者都被称为碳纳米管。 这种不精确的语言，伴随着想要在这一快速增长的领域中为自己谋得一席之地的研究者们提交的大量早期文献，使得其含义特别容易令人混淆，科林斯说。 “乱七八糟的东西全被发表了。你能想象出的所有的东西都在那儿：‘你能用碳纳米管做美味的花生酱和果冻三明治’，”他笑着说道。 不幸的是，这其中还包括了一些显得互相矛盾的重要结果。克林斯继续说道：“纳米管有毒，纳米管无毒；纳米管是完美的导体，哦不它们不是；纳米管超级强劲，除非它们断掉的时候。” 每项主张的正确性——每项其实都是能成立的——依赖于碳纳米管的种类，依赖于它们被处理的方式以及它们被测试的方式。研究者们现在非常明确这一点，他们已经把许多必要的明确定义添加到了领域中，图尔说。 但是早期的文献对于新的纳米管研究者来说依然存在着理解上的困难，特别是对研究生来说，他们必须弄清楚哪种主张在哪些条件下才是正确的，科林斯说。 费登·艾佛里斯也对进入材料领域研究的年轻科学家们表示担忧。艾佛里斯是科林斯的博士后导师，他曾在IBM开展过一些最早的描绘碳纳米管的特性的实验。“要让年轻人忽视炒作是很困难的，”他说。“太多的人追求时尚和潮流而不是自己的兴趣。” 如今，当科学家们聚焦于研究一种新材料时，大家就会蜂拥去描述它的特性，在知名期刊上发表关于其属性的文章，然后又转向另一种材料，艾佛里斯说。“剩下一堆未完成的工作和未证明的理论，”他对化学化工新闻记者说道。研究者们研究出对一种材料的基本理解，但并不研究怎样去使用它们。“没什么人愿意去研究能够带来应用的难题。” 艾佛里斯补充说，许多学生受到“新型材料”研究的招牌吸引，觉得这类研究看得到发表引人注目的论文的希望，能为自己的简历增色。“这无可厚非，”他说，“他们需要找工作。” 另一个让碳纳米管研究对现在的学生失去吸引力的因素是研究资金比十年前更难得到保证，研究人员说。有些人将此种状况归因于资助机构追随炒作，选择将资金投入石墨烯和其他更流行的二维材料而不是碳纳米管。 但并非每个人都同意这个观点。米哈伊尔·C·（迈克）洛克是美国国家科学基金会（NSF）纳米技术高级顾问，也是美国国家纳米技术计划（NNI）幕后的关键设计师。美国国家纳米技术计划（NNI）自其于2001年成立以来，已在纳米技术研发领域投资超过220亿美元（美国国家科学基金会是促成国家纳米技术计划的20个机构之一）。 “碳纳米管是纳米技术的一个组成部分，”洛克说，“在发展纳米科学的进程中，组成部分是很重要，但他们并不是应用中的最终目标。” 美国国家科学基金会和国家纳米技术计划自2010年起，就更倾向于越过组成部分并朝着最终目标前进：即建设能为医药、工业和其他领域的问题带来新的解决方案的纳米技术体系，他说。 碳纳米管的研究肯定帮助了研究者们进入建设这一体系的轨道，洛克说这一体系的雏形已经呈现，并将在未来的15年中持续发展。“碳纳米管使得人们的注意力聚焦于理解纳米尺度的物质，聚焦于制作新的工具，聚焦于能效和如何建立能够跨学科的团体”，洛克解释道。他相信这些理念有益于整个纳米技术的发展，它们将会是碳纳米管研究持久的遗产，它们的影响可能会比任何应用更加持久。 |
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huangdong712
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2楼2021-10-11 17:45:48
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