书城教材教辅激发青少年物理兴趣的故事(启发青少年的科学故事集)
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第168章 纳米——1米的十亿分之一

古代有个传说,昆仑山的顶峰上有棵参天大树,不知有几千丈高,树顶直插蓝天,谁要是能够沿着这棵大树向上爬,爬到树顶,就能进入天庭。这棵树就是上天的天梯。

古人想上天,却不知道怎么上天,这才想出天梯这个主意。现代人对天梯做了分析,1982年,科普作家朱毅麟在《我们爱科学》杂志上说,上天的天梯应该有35800千米高,谁要是爬到了梯子顶上,就再也不会坠落。这个人就成为一颗地球同步卫星,呆在天上了。

朱毅麟又说,几万千米高的梯子底部必须是直径358千米粗的柱子,才能支撑得住,才不会被自己的重量压弯。天哪,底座那么粗,竟相当一个江苏省的面积。

到了90年代中,一位外国科学家也谈到了天梯。他说,从同步卫星上,扔下一副绳梯来,一直垂到地球表面,人就可以顺着绳梯爬上天去。他说的绳梯,不是麻绳,也不是尼龙绳,普通的绳子都很重,支持不住自身的重量——35800千米长的重量。采用碳纳米管来作绳梯,就能支持得住自身的重量。

碳纳米管,是一个十分新鲜的名词。碳,你是熟悉的,做铅笔芯的石墨就是碳,很纯的碳。碳纳米管,是指用碳做成的细管,这种管子很细很细,细到不能用普通的尺子来度量,必须使用精确到纳米的尺子。

纳米,是1米的十亿分之一。十亿分之一,没有一个形象的概念,不妨算算看:一个身高1米的儿童,假如身高缩小到千分之一,也就是1毫米的时候就只能与一个句号(。)比高矮了;再缩小千分之一,成为1微米,就没有头发丝粗了,一根头发丝还有70微米粗哩;再缩小千分之一,那么这个儿童就小得用电子显微镜都看不见了。

纳米的尺度的确很小很小,人眼是看不清的。最近一二十年,随着新型显微镜的出现,人们看得清只有1纳米大的物质了,看得见原子了,于是就出现了一门新技术:纳米技术,或者是毫微技术。

碳纳米管,就是用纳米技术造出来的新材料,了解它们特性的专家说,它们可能成为未来理想的超级纤维。

1985年,美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面,意外地发现了碳60。他们分析,它是一个由60个碳原子构成的空心大分子。对不对呢?

当时还不能十分肯定。

1990年,科学家用最新的显微镜——扫描隧道显微镜进行了观察,看到了碳60的直观形象。碳60的外形,特别像一个足球,中心是空的,外边围绕着60个碳原子,碳原子组成了12个五边形和20个正六边形。碳60有一个别名:巴基球,一个巴基球的直径是07纳米。

科技人员很快就发现,碳60可能是实现超导的好材料。我国北京大学对碳60进行研究,把实现超导的温度提高了将近一倍。

人们对巴基球给予了更大的期望,并且以极大的兴趣发现,巴基球还可以做得更大,再增加10个碳原子,还可以做成碳70。有人认为,如果不是只用60个碳原子,而是用9×60个碳原子制成碳540,那么,在室温条件下就可以实现超导!

能不能实现?怎么实现?请把这个问题记在心中。

碳60的发现已经获得了诺贝尔化学奖。科学家们又在想,碳原子不仅可以排列成足球的形状,而且可以排列成圆筒形。球形只能扩大,成为越来越大的球;圆筒形却可以加长,越加越长,成为一根纤维。

现在,碳纳米管已经制成,它的直径是14纳米,每一圈是由10个六边形组成的。要进一步增强它的强度,需要做到长度跟直径之比达到20:1。

碳纳米管的出现,为制造天梯带来了希望。不过,眼前的碳纳米管的数量少得可怜,在实验室里,一次只能制造几克。而当作材料来使用的话,碳纳米管必须每次能制造出几吨或几十吨。这就意味着必须找到大量生产的新方法。

科学家预言会找到新方法,不过,他们又坦率地说,现在还不知道新方法是一个什么样的过程。请把这个问题记在你的心中。

碳纳米管是靠纳米技术制造出来的新材料,它的特点是基本颗粒特别细微。我们现在使用的常规材料的基本颗粒,看起来很细,实际上很粗。说细,也许它的直径可以细到几毫米几微米;说粗,是说它含几十亿个原子。而纳米技术生产的材料,颗粒非常细微,只含几十个到几万个原子。

超细微的颗粒,组成了纳米材料,立即展现出种种奇异的性能:

纳米铁的断裂应力比常规铁一下子提高了12倍;纳米钢的强度比常规铜高5倍;纳米陶瓷是摔不碎的;用纳米级微粉制出来的录像带真正地实现了高保真,图像清晰,噪音少;常规材料的历史是几千年、几百年,而现在的纳米材料,历史只有几年、十几年。对常规材料,我们已很熟悉,知道的比不知道的多;对纳米材料,我们非常陌生,不知道的比知道的多。