碳科技：造就未来新材料明星

发布时间：2011/10/24 2:04:17

*硬到*软，从绝缘体到导体，从全吸光到全透光，各种类型碳材料所具有的性质几乎囊括了地球上所有物质的性质，极大推动了航空航天、航海、能源、交通、电子、化工、环保等领域的快速发展。甚至有人提出，21世纪有可能是碳的时代。作为新材料的中坚力量，碳材料在未来将有哪些优异表现？能否成为新材料领域里的*部队？从科学家们对以碳纳米管、石墨烯为代表的碳纳米材料和以核石墨为代表的新型碳材料的未来畅想中，人们看到了激动人心的前景。

　　碳纳米管：太空电梯有望成真

　　著名科幻大师阿瑟·克拉克1979年在其小说《天堂喷泉》中首次提出太空电梯概念。简单来说，太空电梯就是一条从地球表面延伸至太空的长电缆，其质心位于35786千米高的地球静止轨道（GEO）。电磁飞行器将沿着电缆行进，在地球和太空之间运送乘客和有效载荷。一旦梦想成真，其运输成本将大大低于火箭，并将满足人类在洁净和可再生能源方面的需求。他预言：“太空电梯将在人们停止对其嘲笑50年以后被制造出来。”

　　太空电梯如果能成为未来到达外层太空的运输系统，科学家面临的首要问题就是电缆材质的选择。该电缆必须重量超轻、强度超高，可以承受地球大气层内外所有发射体的撞击。日本太空电梯协会会长大野修一介绍，经过研究，科学家们已开发了一种叫作碳纳米管的纤维，可达到所需强度的四分之一，这是已知*接近标准强度的物质。

　　与此同时，英国Nanocomp技术公司日前制造出了世界*大的碳纳米管被单。虽然被单面积仅1.6平方米，不足以充当一条沙滩毯子，但其包含数百亿个碳纳米管，强度为钢的200倍，而密度只有钢的1/30，这让人类太空电梯的梦想显现出丝丝光亮。日本科学家认为，他们可以解决这其中会遇到的材料、工程等问题，目前正计划在距离地球赤道地面36000千米的空中发射一颗静止卫星，从卫星上垂下一条总长度达10万千米的纳米材质电缆，预计建造成本仅1万亿日元。　

　　美国麻省理工学院教授杰夫·霍夫曼表示，相信人类在一个合理的时间框架内能够做到，但目前没有能力用碳纳米管制造长电缆。

　　石墨烯：超级计算机放进口袋

　　晶体管的发明打开了硅元素的应用之门。信息时代可以说是硅电子元器件的天下，集成电路更是信息时代名副其实的“核心”。但随着集成度越来越高，晶体管的体积面临物理极限，内部金属导线也难以承受更高频率的信号传送，传统硅集成电路发展遭遇瓶颈。未来出路在哪里呢？IBM的一项研究为人们打开了思路。据了解，IBM用石墨烯制造成场效应晶体管，取代硅集成电路。这种石墨烯场效应管的频率可达100G赫兹，即每秒一千亿次以上。如果用它来制作CPU、GPU之类的芯片，不仅速度快、能耗低，说不定超级计算机也可以放进口袋。

　　美国康奈尔大学研究人员还利用碳纳米管代替传统硅管，制造出高效太阳能电池，其在光能转化成电能的过程中，可以使电流强度加倍。研究人员称碳纳米管是一种理想的光电二极管。

　　石墨烯晶体管和碳纳米管在替代硅方面的应用，或许有朝一日能让人类告别硅时代，那时候的“硅谷”可能要改成“碳谷”。不过，石墨烯制造工艺要比单晶硅复杂得多，可能需要一个很久远的时间才能实现。

　　核石墨：核电站的安全卫士

　　核石墨具有热膨胀系数低、抗热冲击性好、中子活化性能低等优异性能，早在*代核裂变反应堆就已经使用。在第四代反应堆，特别是*近的高温气冷堆中，核石墨更是不可缺少的慢化、反射和结构材料。日本核电站事故中的主反应堆并没有爆炸，发生爆炸的只是其储存核废料的部分，而保住核电站主反应堆的正是用纯核石墨制成的外罩。可以说，核石墨在捕集核废料、吸收核放射粒子等方面具有极大应用潜力，是核电站不折不扣的“安全卫士”。

　　据清华大学深圳研究生院院长康飞宇教授介绍，核石墨主要用于生产石墨球、堆芯材料、电极等制品。由于核石墨对纯度、各向同性等指标要求比较高，世界上至今只有德国西格里、日本东洋炭素和东海炭素、法国罗兰石墨等企业能够生产，我国则主要依靠进口，而1吨核石墨的价格高达几十万元。

　　核石墨技术是核电站技术进步的基础。目前，我国正大力研究*先进的第四代反应堆，反应堆升级换代对核石墨的需求也水涨船高。如果新一代的核石墨外罩能够做到一步成型、无缝衔接，相信核电技术也会发展得更快、更安全。

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