饭岛澄男与碳纳米管

在美剧《绝命毒师》里有一个片段，化学老师怀特先生给高中生讲有机化学时总结道：“当你感到不知所措时，你只要记住一个元素——碳。碳是一切的关键。”在人类目前所探索到的宇宙中，碳元素无处不在。如果要讲碳元素的前世今生，恐怕一本大部头的书也不能讲尽。在广阔的碳材料世界中，有一种一维纳米材料——碳纳米管。由于独特的结构和优异的性能，它成了材料科学家们争相研究的对象。

日本科学家饭岛澄男教授是碳纳米管的发现者，他的故事有趣且鼓舞人心。

1991年，52岁的饭岛澄男几乎每天都在他的设备上忙碌到半夜。这台名为TEM（Transmission Electron Microscope，透射电子显微镜）的机器，高近3米，身形巨大且功能复杂。它能将电子加速到极高的速度，让电子穿过极薄的样品，样品的微观结构就投射到下方的底片上，从而留下了一张原子级的照片。要保证这台“原子照相机”的正常运行，需要给它施加20万伏特的电压。这不是《宠物小精灵》里那拥有绝杀技能的皮卡丘在放电，这可是实实在在的高密度电能。即使是20世纪末，在经济鼎盛的日本，如此高精尖的设备也屈指可数。

27岁从日本东北大学毕业后，饭岛澄男这个腼腆的理学博士就开始与TEM打交道。他兢兢业业地在物质的微观世界里钻研，一晃25年过去了。总体来说，饭岛是一个工作努力、勤奋刻苦的人，而且在金原子观测等领域还取得了不错的研究成果。然而，那时候的饭岛却是位不折不扣的“倒霉蛋”。为什么这么说呢？因为他与诺贝尔奖擦肩而过！

让我们把时间调至1985年。英国人哈罗德·克罗托和美国人理查德·斯莫利，在权威学术杂志《自然》上发表了一篇文章，报告他们制备了一种碳的“小球”，由60个碳原子组成。他们觉得这个结构同建筑师巴克明斯特·富勒的作品很相似，就将其命名为“巴克明斯特·富勒烯”，简称为富勒烯。

富勒烯一经发现，立刻在学界引起了轰动。在此之前，碳的同素异形体只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和活性炭）三种，富勒烯是碳的第四种存在形式。更为重要的是，富勒烯呈现出完美的球形结构，表现出了很多独特的化学和物理性质，具有极大的应用潜力。人们感叹于富勒烯的美丽与神奇，因此不断有人说其发现者的贡献值得一枚诺贝尔奖章。事实也正如人所料，1996年，克罗托和斯莫利共同获得了诺贝尔化学奖。

然而，当饭岛看到克罗托和斯莫利的论文时，心里却是五味杂陈。因为他早就观察到这种“碳小球”了！早在5年之前的1980年，饭岛就通过TEM看到了一种碳的同心圆结构。依据他的描述，这种结构就像切开的洋葱。但因为用TEM只能观察到微观结构的平面投影，所以当时他没想到这可能是个球体。直至看到发现富勒烯的论文，他才意识到，当时自己观察到的就是几层嵌套在一起的富勒烯！

科学研究就是如此残酷，一不留神，一个重要的发现就与你擦肩而过。

知道错过富勒烯后，饭岛并没有灰心，仍然日复一日地在TEM下观察着。命运待勤勉者终归不薄。可不，又一个机会悄然来到。

1991年1月的一天，饭岛用高压电弧处理了一些碳，并试图观察这些样品的纳米结构。这时，一种熟悉的结构又出现在了他的视线里，不过这种结构不是“切开的洋葱”，而是一根中空的“管子”。有了錯失发现富勒烯的惨痛经历，这一次，饭岛可不会再简单地把这根“管子”当成某种平面的结构了。他立刻用获取的二维数据合成了一个三维模型，并做出推断：这是碳的中空管结构。随后，饭岛马上对这种结构开展了更深入的考察，包括管的直径、管层的原子组成，以及这种管结构的生长原理等。

在经过了10个月的细致钻研后，饭岛将他的研究成果发表了出来，向世界展示了这种材料——碳纳米管。饭岛澄男也顺理成章地成为了“碳纳米管之父”。

碳纳米管一跃成为学术界的新宠。世界各地的科学家开始展开相关研究，为我们展示了这种新材料的更多神奇之处。其中备受瞩目的，就是碳纳米管的电学性质。

一根碳纳米管，你可以把它想象成是将一大块由碳原子组成的平面卷起来而形成的，就如同把一张纸卷成纸筒那样。而将这块碳平面卷起来的方式决定了最终产生的碳纳米管的性能。假设你手中有一张纸，你可以沿着边的平行线（图a）、沿着对角线（图b）或是其他方式（图c）把它卷起来。如果将碳平面沿着与边平行的线卷，就得到了“锯齿型”碳纳米管。它会表现出类似半导体的性质，此种碳纳米管有希望取代传统的硅材料，应用在芯片中。如果沿着对角线卷，所得到的碳纳米管被称为“扶手椅型”。电子在其中传输时不会发生散射，如同从大炮中发射的炮弹一般。这类型的碳纳米管具有极高的导电性（比铜高10 000倍）。至于用其他方式卷得的碳纳米管，被命名为“螺旋型”，其导电性介于前两者之间。

除了导电性，看似纤细的碳纳米管，实则有着极高的力学强度。理论上，完美的碳纳米管抗拉强度是钢的100倍，但密度却只有钢的1/6。如此优异的特性当然会给科学家带来无限的遐想。人类进入航天时代以来，就一直梦想着可以建造一架太空电梯，从地面直达太空，而这种太空电梯需要极高强度的缆绳来进行牵引。目前，碳纳米管是已知的唯一可用作太空电梯缆绳的材料。当然，为了实现这样的美梦，我们还有很长的路要走。目前实验室中得到的碳纳米管，长度大都在微米级别。我们不可能靠着一根如此短的管子去构建穿破大气层的太空电梯。于是，当务之急便是想办法将碳纳米管做长。目前采用最广泛的生产碳纳米管的方法是催化法。这种方法的思路类似于种菜：首先，选用尺寸微小的催化剂作为“种子”，在特定条件下让含碳的原料与催化剂进行反应，如同给种子施加肥料。如此这般，催化剂可以将原料中的碳原子提取出来，并重新排列成碳纳米管。催化剂的优劣、含碳原料的选取、生产条件的精确控制，多种复杂的因素制约着碳纳米管的质量与长度。

好消息是，中国科学家在碳纳米管生长这一研究领域已有不俗的表现。2009年，我国成功制备出单根长度超过18.5厘米的超长碳纳米管。仅仅4年之后，清华大学的研究团队又将这一纪录提高到了55厘米。如果把这根碳纳米管的直径放大到头发丝的尺寸，那么它的长度将有25千米，可以环绕标准操场60多圈。

如今，年近八十的饭岛教授仍然活跃在科学研究的第一线。满头银发的他仍然和他的老伙伴TEM一起，奋力探索着微观世界的奥秘。

最后还有一个小彩蛋：1976年，有两位法国科学家研究发现，通过分解苯能得到一种“纤维状”的碳。不过当时他们对于这一发现并不在意，只是随便地将成果发表在一个影响力不大的期刊上。如果我们今天重新审视这篇论文，就会发现当年他们观察到的就是——碳纳米管。