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2002
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  饼干纳米技术现在已经成为世界许多国家科学家争先研究的领域，谁能在这块赛场上称雄呢？那或许将决定未来国力的强弱。布基球作为纳米技术在近十几年最显著的发展，其用途越来越受到人们的关注。 瑞典皇家科学院把1996年诺贝尔化学奖授予美国赖斯大学教授罗伯特·柯尔和理查德·斯莫利以及英国萨塞克斯大学教授哈罗德·克罗托，以表彰他们在1985年发现的碳的球状结构。皇家科学院的新闻公报说，三位学者在1985年一次太空碳分子实验中偶然发现了碳元素的新结构－－富勒式结构，由60个以上的碳原子组成空心笼状，其中由60个碳原子组成的分子即碳60形状酷似足球，这种结构的碳又被称为“布基球”。  科学家们多年梦寐以求制造一种有洞的分子来容纳或者传递不同的原子、离子，碳60正好圆了这一梦想。目前，科学家们正尝试打开“球门”，把原子、离子掺杂其中，使之成为能制取若干衍生物的分子容器以及放射性化合物的屏蔽体或给药媒体等特异功能材料。他们的这一发现开创了化学研究的新领域，对宇宙化学、超导、材料化学、材料物理甚至医学的研究有重大意义。目前新发表的化学论文中至少有三分之一涉及这一课题。 最早提出纳米技术想法的人是理查德·范曼。1959年，这位著名的美国物理学家在加利福尼亚理工学院的一次非正式讲话中概要讲述了纳米技术的基本概念。但纳米技术的真正倡导者是一位并不很显赫的，由工程师转变而成的梦想家埃里克·德雷克斯勒。现年41岁的德雷克斯勒在70年代中期还是麻省理工学院的一名大学生，他在科技图书馆里读到遗传工程的内容时产生了灵感。那时的生物学家们还在研究如何控制构成ＤＮＡ链的分子。德雷克斯勒想，为什么不能用原子建造无机机器呢？直到后来他才知道，范曼几乎在二十年前就已经提出了类似的看法。这种想法让德雷克斯勒着迷，到1977年毕业时，他已经大大推进了这项研究。他想，为什么不建造有自行复制能力的机器呢？一台机器会变成两台，两台变成四台，然后再变成八台……这样无穷地变下去。给那些能把简单的原料加工成特定非生物制品的机器加上这个功能，他认为唯一可能的结果就是它所带来的难以想象的财富。被德雷克斯勒称为装配工的小型机器人会给饥饿的人生产无穷数量的食物，或者为无家可归的人建造无数的房屋，它们还可以在人的血管里游弋并修复细胞，从而可以防止疾病和衰老。实际上，人类有朝一日可以消遣放松一下，而纳米机器人则可以像科幻小说作家描写的那样承担世界上所有的工作。当时多数主流科学家对此的反应是：一派胡言！！但布基球的诞生使研究人员开始着手做这件事。 詹姆斯·金泽夫斯基是ＩＢＭ公司设在瑞士的苏黎世研究实验室的物理学家。他和同事一起摆弄的一台掘进扫描显微镜有极其纤细的探头，能像盲人阅读盲文那样透过物质表面记录原子的存在。当他们发现显微镜的探头还可以像犁一样刮过原子团并留下细微的沟痕后，为了取乐，便很快开始对单个原子如法炮制，他们甚至用35个氙原子拼出了ＩＢＭ三个英文字母。然后金泽夫斯基和他的几个同事想到用一台遂道扫描显微镜（ＳＴＭ）和一些布基球制作一个能计算的机器。1996年11月他们推出了世界上第一台分子算盘。该算盘很简单――只是10个布基球沿铜质表面上的一条细微的沟排成一列。为了计算，金泽夫斯基用遂道扫描显微镜的探头把布基球拖来拖去。细沟实际上是铜表面自然出现的微小台阶，它们使金泽夫斯基可在室温下演算。 理论上金泽夫斯基的算盘储存信息的容量是常规电子计算机存储器的10亿倍。尽管在应用上它还很烦琐，但它显示了科学家在处理十分微小的物体方面已经非常熟练――它甚至可能是迈向制造出分子般大小的机器的第一步。移动单个分子或原子的技术是开发下一代电子元件的关键。这一技术获第八届技术创新《发现》奖。 说到布基球，一定要谈到它的兄弟布基管。布基管是碳分子材料，与布基球有着不同的形状、相似的性质，其大小处于毫微米级水平上，所以又称为毫微管。它们的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。它们非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝那么宽。布基球和纳米管都是在碳气化成单个的原子后在真空或惰性气体中凝聚而自然形成的，这些碳原子凝聚结合时会组合成各种几何图形。布基球是五边形和六边形的混合组合，不同的混合产生不同的形状。然而，典型的纳米管完全是由六边形组成的――每一圈由十个六边形组成，尽管也有其它的结构。 布基球和布基管具有多种性质，科研人员一直在研究它们在激光、超导领域以及医药领域的应用前景。并取得了不少成果。 美国加利福尼亚大学伯克利分校的一批化学家发表论文称，他们在布基球分子中首次成功地分离出了左旋分子和右旋分子。这是科学家第一次在由一种元素构成的分子中分离出镜像对称形式的分子。虽然布基球中最著名的是由60个碳原子构成的网格空心球状分子，但由60个碳原子构成的布基球（或称碳60布基球分子）呈现出本身对称较强的五面体或六面体形状，所以，加州大学的化学家选取了由76个碳原子构成的布基球（或称碳76布基球分子）作为分离左、右旋分子的研究对象。碳76布基球有着略显扁圆的球形结构，不同于科学家现阶段已经研究过的其他布基球分子。这种布基球的不平衡形状为其出现左、右旋分子的现象创造了条件，也为科学家分离这两种形式的分子提供了可能。 （1）超导 日本冈崎国立共同研究机构分子科学研究所1993年合成了含有碳60（Ｃ60）分子的新超导体。这种新超导体由钠、氮的化合物和Ｃ60组成。60个碳分子聚集在一起，形成足球样形状。据合成这种新超导体的冈崎国立共同研究机构主任井口洋夫等人介绍，他们先将氮化钠和Ｃ60粉末按一定比例混合，然后将其置于真空中，再在370摄氏度的温度下烧结约20分钟，便合成了新的超导体。为防止这种混合物在大气中会与水蒸气发生反应，所以才将其置于真空中的。井口洋夫说，含Ｃ60的新超导体是在绝对温度15Ｋ（零下258摄氏度）时出现迈斯纳效应（磁通被驱出）的。 美国纽约州立大学布法罗分校由华裔科学家组成的一个研究小组最近发现，布基球在掺入氯化碘杂质后，可在绝对温度60度，即零下213摄氏度时产生超导现象。在该校物理系教授高亦涵、博士后研究助理宋立维以及机械航空工程系教授钟端玲、研究生符立德的这一发现之前，超导布基球的临界温度约为绝对温度30度（零下243摄氏度）。掺入氯化碘的布基球还具有对于未来实际应用十分有利的空气稳定性。研究小组称，新发现的超导布基球在置于空气中40天之后，依然可以探测到超导特性，而这是以前发现的超导布基球并不具备的性质。 （2）新材料 法国和俄罗斯科学家利用布基球研制成一种新的材料，其硬度至少和金刚石相当，并能在金刚石表面刮擦起痕。据英国《新科学家》杂志报道，法国巴黎全国科学研究中心的物理化学家亨里·斯兹瓦赫同莫斯科高压物理学研究所的科学家，在高压条件下使由60个碳原子构成的碳球晶体化而制成了这种超强聚合物材料。斯兹瓦赫说，他们原来是打算利用碳60制造金刚石，没想到结果获得的是另一种更坚硬的物质。他们利用的是俄方高压物理研究所的机器。机器的中心是两个锥形金刚石。他们把碳60材料置于其中一个金刚石的表面上，然后施以大约20个千兆帕斯卡的高压（大约相当于10000个大气压）。在这同时，旋转这两个锥形金刚石，以产生一种切变力。法国科学家介绍说，当碳球材料在12个千兆帕斯卡压力作用下时就开始向新材料转变，但是施加更大的压力之后这个转变过程才全部完成。 （3）导线 普林斯顿ＮＥＣ研究所的托马斯·埃布森说，纳米管已经成为“最佳纤维”的首选材料。其他人则认为它们还可能成为最佳超微导线。一根纳米管的直径只有高技术计算机芯片上最细电路直径的百分之一。休斯敦赖斯大学的理查德·斯莫利说：“我们预计它将成为理想的导体，其导电性能很可能大大超过铜。”他说，纳米管最终“可用于纳米级的电子线路”。一纳米是一米的十亿分之一——只有一个中等大小原子直径的十几倍。一个基本的碳纳米管的直径只有1.4纳米。可是，除了它们非常微小的体积和非常奇特的潜在用途外，纳米管的组成成份跟普通石墨实际上没有两样。决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。埃布森说，材料工程师希望看到的长度直径比至少是20∶1。然而，即使在现在能得到的以纳米计算的长度中，纳米管的长度也是其直径的几千倍。埃布森估计，这将使它们的强度比石墨高5到10倍。斯莫利非常乐观。他说：“我们中的许多人相信，任何东西都不可能超过这个。” 日本电气公司下属基础研究实验室的科学家把布基管当作模具，制成直径相当于几个原子的毫微米量级铅导线。这一目前世界上最细导线的研制为今后超精细电子线路和高强度纤维材料的开发提供了新途径。日本电气公司的科学家把金属铅蒸发到一组排列整齐的布基管上，然后在高于铅熔点的温度下加热30分钟。科学家发现，在这一条件下，布基管的端口会打开，出现类似日常生活中饮料吸管吸入饮料的过程，把熔化的铅吸入管腔内。由此产生的导线直径最小者只有1.3毫微米、长度最大者是20至30毫微米。与现有硅集成电路芯片上最细小的导线相比，以布基管做模具“铸造”出来的导线只有前者百分之一的宽度。科学家承认，他们制成的毫微米级导线成品率不足百分之一，对于这部分布基管编口能够打开并吸入铅的原因还无法作出解释。另外，现阶段还无法肯定布基管内导线成分是纯铅还是铅化合物。由于过于细小的导线无法附着上测试电极，其导电性能也无法确定。 （4）医药 日本京都大学、东京大学等相继发现球形碳原子“C60"能抑制癌细胞增殖、促进细胞分化，有望成为治疗癌症的新药。京都大学生物医疗工学研究中心发现，将球形碳原子注入白鼠的癌细胞后，在光的照射下就能产生破坏癌细胞的活性酶，可有效地抑制癌细胞的增殖。东京大学和日本厚生省国立卫生研究所也分别在试管实验中发现，球形碳原子的化合物同其他抗癌药物同时使用，能够提高医疗效果、促进细胞分化。 美国科学家则发现，碳60具有保护脑细胞的作用，可望用它制造治疗中风等疾病的药物。据英国《金融时报》报道，碳60是由60个碳原子组成的碳同素异形体，呈球形。美国华盛顿大学医学院的一个科研小组把它进行了改造，使其能溶于水，再将它的水溶液注入老鼠体内，结果发现该水溶液能吸收可引起机体功能退化的自由基，并能够防止脑细胞因缺氧和葡萄糖而解体。研究人员解释说，碳60是一种中间空的大型无机分子，因而能吸引机体内的一些有害分子。 英国萨里大学和沃里克大学科学家最新研究表明，在室温条件下和有氧气存在时，碳60会因分子间彼此发生反应而丧失部分稳定性。沃里克大学发布的材料介绍说，两大学的科学家们在研究中发现，当碳60置于室温环境下时，两个碳60分子会与一个氧原子发生反应而生成新结构物质。氧原子在其中起到相当于“桥梁”的作用，会将两个碳60分子粘接在一起。研究人员共对13种不同的固态碳60样本进行了分析，结果发现最终生成的新结构物质在每个样本中平均占百分之一左右。虽然这一比例并不算高，但科学家们指出，这在碳60的应用领域已不容忽视。研究人员认为，新发现意味着今后研究在室温下应用碳 60时应注意采取防氧化措施。 2. 批量生产遥遥无期 迄今为止，科学家们一次只能制造几克初级纳米管。“但是，我们需要成磅成吨这种材料”，这就意味着必须寻找新的方法。尽管他不知道新方法将是一个什么样的过程，但是他相信一定会找到这种新方法的。如果真能在工厂里大量生产，那也将是令人震惊的，如果你考虑到它的无数用途，其中包括用作其它分子之间的“分子导线”（用来制造新一代小型化学传感器）、用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头的顶端（用来测试超纯硅芯片的质量）以及用作理想的结晶基。 中国旅美学者徐志付在密歇根大学攻读博士学位期间，在美国导师杰弗里·穆尔的指导下，合成了迄今为止实验室环境中最大的两个纯粹由碳氢元素构成的分子。其中一个分子由1398个碳原子和1278个氢原子构成，其立体结构呈薄煎饼状，直径为12.5纳米；另一个分子由1134个碳原子和1146个氢原子构成，其立体结构呈球状，内部留有足以容纳1000个碳原子的空间，直径为5.5纳米。穆尔在美国《化学和工程新闻》周刊上发表评论说，他认为，这类碳60相关家族的分子最终将在化学催化、有选择的分子键合、电子传输、能量转换和传感等领域发挥效用。 近年来，我国科学家在碳60的制备与分离技术方面也取得重大进展。合肥国家同步辐射实验室取得一系列重大成果。中国科技大学设计建成的合肥国家同步辐射实验室的光谱实验站在碳60真空紫外吸收光谱的研究中取得令人鼓舞的成果。对碳60的研究是国际上继“超导热”之后的又一热门课题，这个实验站获得的阶段性成果在国内外均是首创性的。复旦大学、上海原子核研究所等单位组成的碳60课题攻关组，自行设计并建立的这套碳60制备装置，其含量稳定在15％左右，最高可达18％，日生产能力为30至35克。他们对分离方法作了重大改进，用新工艺可分离得到99.5％以上纯度的碳60。他们研制的水溶性的碳60包结构溶解度高于国外同类产品，生产成本低。 |
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