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transper_1pic.gif 打开纳米技术
大门的碳素纳米管


  纳米技术作为继IT、生物工程学之后的又一新技术而引人注目。目前,全世界的科学家们都在热切地关注着这一蕴藏着新机遇的领域。其中,特别是叫做碳纳米管的具有特殊构造的碳素分子最有可能达到实际应用。那个在100万分之一毫米的极其微小的世界里发现碳纳米管、并为之命名的发现之父,也是世界上屈指可数的科学家,就在我们爱知县。

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  电脑描绘的碳纳米管模式图。表现的是二重构造,即一个碳原子组成的管道里,还有一个管子在里面。碳纳米管有几种类型,饭岛教授于1991年发现的是这种多层结构类型。


第5种结构
通过电子显微镜的眼
爱知县是第一个碳纳米管的发祥地


  纳是表示“十亿分之一”的接头词。纳米是十亿分之一米,如果换算成毫米单位,即指100万分之一毫米。表达得通俗易懂一些,可以说它只有一根头发的1万分之一那么细。

  所谓纳米技术,是这一极其微小尺度内的各种应用技术的总称。例如在原子或分子这一尺度水平上加工物质,或是发挥物质在极其微小的世界中所独有的作用,其应用范围极其广阔。随便就可以举出,诸如从信息通信相关技术到生物工程学、医疗、工学、能源相关技术、化学等等。人们可以期待它能应用于现有的一切技术领域。

  放眼世界,作为继IT、生物工程学之后21世纪的又一新技术,各国正在争相开展对纳米技术的基础研究。目前尚不能说达到实际应用阶段,但是都认为“碳纳米管”处于这个领域的领先地位。



第5种结构

  所谓碳纳米管,是指仅由碳原子构成的管状分子(由2个以上原子构成的物质)。仅由碳原子构成的分子,众所周知的有木炭、石墨、钻石。此外还有由美英3位科学家于1984年发现的晶体,它是一种由60个碳原子组成的足球状分子(之后又发现了由70个以及82个组成的晶体),再就是碳纳米管,但除此之外尚未有新的发现。

  碳纳米管于1991年发现,可以说是第5种结构,发现者是NEC基础研究所主席研究员、名城大学理工系材料功能工程学科教授饭岛澄男(IIJIMA Sumio)。据饭岛教授介绍,碳纳米管具有极其独特的性质。
作为碳纳米管的特点,举例如下∶

  无论化学性质,还是其温度反应都很稳定;由于其吸附性很强,所以很适合用于物质的储藏;根据加电压的方向,既可成为导体也可成为绝缘体。此外,饭岛教授还指出:“现在查明它一遇上氢便可产生电流,还可鉴别特定物质。这一点意味着它有可能用于燃料电池”。

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用激光制做碳纳米管的实验装置。用大功率脉冲激光使碳素蒸发、结晶。在名城大学理工学院。
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  燃料电池是目前饭岛教授最寄予期望的应用领域之一。水一通上电便可分解为氢和氧。它是称为电解的一种化学反应,但也可有相反的反应。也就是说,可以从氢和氧中产生水和电。目前,大概很多人都知道作为新一代环保汽车,正在大力研究开发载有燃料电池的汽车,而燃料电池正是应用了这一原理。碳纳米管从其吸附性角度考虑,可用于氢的储藏库,同时也有望能作为燃料电池的电极本身来加以利用。如果能实际应用这些技术,将可制成极其高效的低成本燃料电池,利用范围也将得到飞跃性的拓展。

  饭岛教授继续说:“使用碳纳米管,在2、3年间将出现电视用的大型平面超薄显示器,而且还可代替硅酮树脂应用于计算机芯片及生物工程学。说来现在世界上所有的技术都面临着一个能源问题,而碳纳米管恐怕就是从根本上解决这一能源问题、乃至地球环境问题的重要材料呢,……我就是这么认为的”。


通过电子显微镜之眼

  饭岛教授发现第5种结构的碳纳米管是在1991年,从此他的名字作为这一领域首屈一指的人物而闻名世界。但是他非常谦逊地表示:“这次发现说到底是一个偶然”。

  “我觉得发现大致分两种情况,一种情况是对于目标不断地积累知识与理论,从而有所新发现;另一种情况是从反复摸索中或以其它领域的知识、经验为契机,某一时刻突然有新发现。后者可以说是偶然的赐物。但在极大地推动了科学进步的发现中,这种情况比前者更多些”。

  饭岛教授1963年从电子通信大学毕业后进入东北大学研究生院学习,在该研究生院接触到当时来说还很少有的电子显微镜。获得博士学位后,曾任美国亚利桑那州立大学研究员,并在新技术事业团(现为科学技术振兴事业团)等处任职,1987年起任NEC基础研究所首席研究员,1999年之后兼任名城大学理工系材料功能工程学科教授,一直以来都是一位从事电子显微镜研究的专家。

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  碳纳米管的发现者、名城大学理工学院材料机能工学系教授饭岛澄男(IIJIMA Sumio)先生。他也是NEC基础研究所首席研究员,在国际上有极高的知名度,是该领域的第一人。饭岛教授说过:“碳纳米管有可能成为从根本上解决能源问题的重要材料”。
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  “在用电子显微镜研究第4种构造的晶体时发现了碳纳米管。当时很偶然地看到一种针状结晶,于是感到这里有文章……。在研究生院学习时的一位前辈是研究石棉首屈一指的人物,非常了解管状结晶构造,对我短时间内理解纳米管的本质给予了很大的帮助。如果不是长年从事电子显微镜的研究工作,大概就疏忽过去了”。

  在科学领域里,常常用到灵光一现(偶然发现不可预知物质的能力)这个词,许多所谓世纪重大发现的成果都是由这些富于灵感的研究者们发明的,2000年获得诺贝尔化学奖的白川英树博士的获奖题目也是始于一次失败的实验。 此外,饭岛教授还有一段邂逅幸运的插曲。

  美英科学家们因1984年发现了第4种构造的晶体,而于1996年获得诺贝尔化学奖。实际上饭岛教授在1970年代就已经发现这个晶体,并拍下照片。但当时仅停留在暗示其存在这一步,未能做到真正发现。虽然一度想放弃,但在诺贝尔获奖者们的建议下,饭岛教授又开始着手研究晶体,并由此而发现了碳纳米管。

  饭岛教授说:“关于碳纳米管,说起来1950年代就曾尝试着研究,但当时电子显微镜的技术尚未到达能看清原子的水平,‘好像有’和‘有’完全不同。如果是‘好像有’,就离不开空想科学的范畴,只有能客观地证明其存在才可成为科学”。

  正如他所言,饭岛教授证明了第5种构造碳纳米管的存在。这也许是缘于一种偶然的幸运,但它又是一种理所当然地只对饭岛教授展露微笑的偶然。


爱知县是第一个碳纳米管的发祥地

  目前,碳纳米管的生成机制正逐步被人们所了解,在爱知县的名城大学的研究也已发展到如何控制其生成上。虽然在现阶段尚难以进行批量生产,但据饭岛教授介绍,这也只是一个时间问题,已经开始由民营厂家利用碳纳米管试制大型平面超薄显示器,可以说距实际应用仅一步之遥。

  饭岛教授发现碳纳米管的试料是由位于爱知县的名城大学安藤义则教授研究室提供的。在我们爱知县,将有可能大大改变21世纪社会的新型材料碳纳米管正在稳步走近实际应用。(撰稿:太田昌宏/摄影:川本圣哉)


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