美联社10月20日报道,一种特殊的碳纳米管薄层极可能成为未来广泛使用的重要制造材料,这种薄层看起来非常像通常的碳纤维纸,人们也把它叫做“巴克纸”。但不要被它可爱的名字和薄薄的外表所欺骗,它实际上是一种革命性的材料,是用仅有人的头发五万分之一重量的分子制造的,是纳米技术优势的重要体现。
在不久的将来,从飞机到电视,都可以用它制造。
巴克纸具有许多无与伦比的特性。它重量轻,硬度高。与同样体积的钢相比,它只有十分之一的重量;如果把巴克纸叠起来压紧,形成一种复合材料,它要比钢硬500倍。但巴克纸具有不同于传统复合材料的特点,它能象硅或铜那样导电,也能象钢和黄铜那样散热。莱斯大学的科学家Wade Adams说:“对于纳米技术行业的人来说,这些特性就象是耶稣的圣杯一样重要。” 由于巴克纸的独有特性,它被视为制作既轻巧又节能的产品的理想材料,它可以用于生产飞行器、汽车、更快的计算机、质量更好的电视屏幕等等产品。
运用巴克纸和其它衍生产品制造产品,这种想法已经有一段时间了。但现在生产的巴克纸仅有其理论硬度的几十分之一,而且生产量小,价格昂贵。佛罗里达州立大学的研究者表示,他们正在开发有关生产技术,并在这方面取得了重要进展,很快就可以把设想变成现实,使巴克纸能够现在的复合材料相媲美。洛克希德马丁导弹与火控公司的首席技术师Les Kramer说;“如果这种材料能够投入生产,这对于航空工业来说,绝对是一个革命性的、改变行业格局的技术。”洛克希德公司目前也正在资助佛罗里达州立大学研究所的有关研究工作。
巴克纸不是寻常之物,它的诞生跟外太空有不解之缘。1985年,英国科学家Harry Kroto加入莱斯大学的研究团队,进行碳研究的有关实验,希望能找出为什么碳是所有生命基本元素的原因。由于宇宙中所有的碳都来自于恒星,研究队伍试图在实验室中创造出与恒星同样的环境,寻找恒星是如何生成碳的。所有的实验都按计划进行,但出现了一个意外情况。Kroto说:“在实验中我们发现了一个新的现像,这是完全出乎意料的,这是一个以前从未探索过的领域。”这个不期而遇的“客人”具有象足球一样的形体,由一个分子和60个原子组成。对于Kroto而言,它就象巴克明斯特-福勒描述的“大地穹形”。福勒是著名的建筑家、发明家和未来学家。这给了Kroto灵感,他把这个新的分子形体命名为巴克明斯特富勒烯,简称为“巴克球”。发现巴克球意义非常重大,因为这是继石墨和金刚石之后,世界上所发现的第三种纯碳。Kroto和他的同事Robert Curl Jr.、Richard E. Smalley因此获得了1996年诺贝尔化学奖。与此同时,日本物理学家饭岛澄男在亚利桑那大学做实验时,也独立发现了一个管状的变体。后来,Smalley实验室的研究人员在实验中,不经意地发现该管状体在液体悬浮液中散开后能够黏在一起,在经过一种细筛孔过滤后,就形成了一个薄层――巴克纸。
佛罗里达大学高级材料学院主任Ben Wang说,巴克纸具有惊人的硬度是因为每个纳米碳管的表面积非常大。Wang说:“如果你拿了一克的纳米碳管,只要一克,然后你把每个碳管展开,它可以覆盖三分之二的足球场。” 但科学家们在实验中发现了一个影响巴克纸硬度的问题,那就是碳管粘合的角度非常古怪,从而降低了巴克纸的硬度。Wang和他的研究人员找到了一个解决办法:把碳管放到强磁场里,这样绝大多数的碳管就按一个方向排列,因此就提高了黏合的力量。另外还有一个问题是这些碳管极其光滑,很难用环氧基树脂把它们黏合在一起。研究人员正在想办法在碳管的表层制造一些缺损,以此提高黏合度。
巴克纸现在只能在实验室里生产。截至目前,佛罗里达州立大学生产出的巴克纸,已经能达到现在最好复合材料的硬度的一半了,比如说IM7。Wang希望能够很快弥补这个差距。Wang说:“到明年底,我们应该能生产出与IM7一样硬度的巴克纸,而且重量仅为IM7的35%。”佛罗里达州立大学正在设立一家公司,以便生产商业化的巴克纸。Smalley纳米科学技术研究院的主任Adams表示:“这些研究者都说过,如果把巴克纸用来生产飞行器,这将是纳米技术的一个里程碑事件。”
但是,根据美国政府的有关规定,任何一种新材料如果要用于制造航空器,必须要经过5年左右的认证期,因此Wang退而求其次,他说希望巴克纸首先能用于飞机上的电磁干扰屏蔽设备和雷击保护设备。在飞机飞行过程中,电路甚至会因太阳或北极光等自然现象出现无线电和其它电子设备的故障。Wang表示,使用巴克纸的电磁干扰屏蔽设备提供的保护比空军的最高标准还要高4倍。另外,在避免飞行器遭受雷击的技术中,现在通常使用的传统复合材料是铜丝网。但如果使用巴克纸,一则可以减轻飞机重量,二则可以减少燃料使用。Wang举了个例子,他拿了一个复合材料制作的模型飞机和一把电击枪。他用电击枪电击模型飞机没有巴克纸保护的部分,可以看到火花四溅,但如果电击的是有巴克纸保护的部分,模型飞机则安然无恙。
科学家们现在迫不及待地要把巴克纸应用到社会生活中。Wang说,近期来看,巴克纸还可能用于制作燃料电池的电极、超级电容器和电池。中期来看,巴克纸还可以用于取代笔记本电脑中散热的石墨纸,而且会更有效更轻。长期来看,巴克纸要用于生产飞机、汽车和其它各种产品。它甚至还可以用于生产装甲材料和隐身技术产品。Wang说:“我们的计划是在未来12个月以内,开始生产巴克纸的商业产品。纳米碳管不再仅仅是实验室的奇迹了。它们是真的。它们应该在真实世界里大展身手。”