未来科技：碳纳米管

对于 Carbon Nanotechnologies Inc. 的研究人员来说，一氧化碳——一种污染物和毒药——是未被雕琢的钻石。在该公司的休斯顿实验室里，这种气体在高压下沿着管道嘶嘶地进入一个铝壁的反应器，在那里它遇到了一小撮铁基催化剂。当一氧化碳分子分解时，金属会促使碳原子结合成六边形，这些六边形又组合成片状，最终卷曲成无缝的圆柱体，称为碳纳米管。它们可以包含数百万个原子，长度几乎与句末的句号一样宽，但它们仍然是单一的分子。

多么神奇的分子啊。“碳纳米管是最美的分子，”荷兰代尔夫特理工大学的物理学家 Cees Dekker 说道。他不仅仅是在谈论那完美卷曲的原子结构，这在自然界是独一无二的。他痴迷于纳米管的独特性能：它们比钢铁更坚固，能够吸收无线电波，并且可以模仿铜和硅的性能。Dekker 和几位同事正在学习如何巧妙地操控这些管状分子，制造出根本上新型的电子元件。如果他们的努力取得成效，其结果可能是一次技术飞跃，让今天的个人电脑看起来就像古老的机械计算器一样过时。

直到 1991 年，人们对碳纳米管知之甚少。当年，日本 NEC 基础研究所的材料科学家 Sumio Iijima 在用电火花击打石墨时形成的烟灰沉积物中分离出了碳纳米管。几个月后，计算机建模者发现，最简单的分子形式——所谓的单壁碳纳米管——具有双重性格。它们可以像导电的金属线一样工作，也可以像半导体一样工作，即只有当电压超过特定值时才导电，这取决于它们的六边形如何像理发店标志上的条纹一样扭曲。“据我所知，它们是唯一能在分子尺度上呈现金属性的分子，”Dekker 说道。导电和半导电设备正是制造电子电路所必需的。在这种情况下，一种材料可以承担这两种功能，并且在极小的空间内完成。

包括 Dekker 在内的几个研究团队已经开始将纳米管相互对接，以创建能够模拟晶体管（开关，控制电子流的开闭）和二极管（栅极，只允许电子单向流动）的结构。实验表明，纳米管可以执行目前由硅芯片完成的许多功能。“电子学的历史是从一个想法到原型实现，再到电路实现，”Dekker 说道。“我们真的在朝着电路和应用迈进。”

但工程师们在将硅片制成有用的电子设备方面已经有 40 多年的经验。而对于碳纳米管，他们才刚刚起步。两年前，在加州大学伯克利分校，物理学家 Alex Zettl 开始尝试将这些小玩意组装在一起，看看会发生什么。他和他的同事们让数十亿根纳米管随机堆积成一团分子级的针状物。管子相互接触的任何地方都可能成为潜在的二极管或晶体管。Zettl 发现，这种堆积物就像一个随机连接的计算机：通电时电路激活，但无法执行任何有用的任务。至少目前不行。“这项技术潜力巨大，我们不可能找不到使用它的方法，”Zettl 说道。他提议制造一个“管立方体”，一个密集的纳米管电路块，然后让一个软件程序来探索电路，看看它能做什么。

哈佛大学化学家 Charles Lieber 认为，要实现分子电子学的性能，需要更规范的结构。他和他的同事们一直在制造交叉阵列，其中一组平行的纳米管悬挂在另一组正下方，两组呈直角交叉。管子相遇的每一个交叉点都可以用作开关或存储单元。“理论上，一平方厘米的面积可以存储一太比特的内存，”Lieber 说道。以这种密度，国会图书馆的内容可以存储在一个方糖大小的计算机中——这一前景促使前总统比尔·克林顿在 2001 年的预算中为国家纳米技术计划申请了 4.97 亿美元。

分子计算机的爱好者们可能会利用这笔资金，因为他们仍然面临许多潜在的障碍。目前，没有人能够以复杂电路所需的精度来控制纳米管。一种可能的方法是在管子的所需位置附加化学标签，这个过程称为选择性官能化。这些标签会排斥或吸引各种微小的电子导线和半导体棒，并促使它们附着。根据化学的必然逻辑，这些部件会组装成二极管和晶体管网络。自组装至关重要，因为通过物理地将数百万个分子电路连接成精确的结构是不切实际的。

然而，自组装并非易事。它需要在纳米管长度上数千个相同的碳原子中选择性地进行化学修饰——这对于化学家的能力来说是一个极大的挑战。“碳纳米管的选择性官能化并不容易，而且可能无法实现，”Rice 大学教授 James Tour 谨慎地表示，他曾使用更传统的有机分子构建了一些最早的有效分子开关。

MITRE 公司（一家位于弗吉尼亚州麦克莱恩的非营利性研究组织）的 Nanosystems Group 主管、分子电子学的积极倡导者 James Ellenbogen 表示，纳米管的计算领域首秀可能会以增强而非取代硅的形式出现。目前，硅芯片中存在未使用的空间。Ellenbogen 预测，这些空缺很快就会被分子存储器阵列填补，其中可能由纳米管制成。芯片将能够访问即时可用的高密度碳数据存储，而不是从硬盘或 CD-ROM 中检索数据。

还有其他令人着迷的关于使用纳米管的想法。韩国三星公司和新泽西州朗讯科技公司等公司正致力于将其用作超薄视频显示器中的微型电子枪。不同长度的碳纳米管可以吸收宽频带的无线电波，因此它们可能是手机和笔记本电脑电磁屏蔽的理想材料。劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Paul McEuen 认为，碳纳米管是探索活细胞内部化学环境的理想传感器。碳纳米管的强度重量比也比钢高 100 倍，这促使一些科学家构想利用它们建造一座高 23,000 英里的太空电梯。正如 Dekker 所说，“有这么多人投身其中，创新的速度真是惊人。”

大幅的价格下降可能会促进这一进展。多年来，工程师们为高品质的纳米管支付了相当于每盎司 30,000 美元的价格。Rice 大学教授 Richard Smalley——他因发现球状碳分子富勒烯而获得 1996 年诺贝尔奖——以及 Carbon Nanotechnologies 的其他联合创始人认为，他们可以在两年内将成本降低到目前价格的百分之一。

以这样的价格，纳米管可能很快就会成为科学家的挚友。