從最硬到最軟,，從絕緣體到導(dǎo)體，從全吸光到全透光,，各種類型碳材料所具有的性質(zhì)幾乎囊括了地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)，極大推動了航空航天,、航海,、能源,、交通、電子,、化工,、環(huán)保等領(lǐng)域的快速發(fā)展。甚至有人提出,，21世紀(jì)有可能是碳的時代,。作為新材料的中堅(jiān)力量，碳材料在未來將有哪些優(yōu)異表現(xiàn),？能否成為新材料領(lǐng)域里的尖端部隊(duì),？從科學(xué)家們對以碳納米管、石墨烯為代表的碳納米材料和以核石墨為代表的新型碳材料的未來暢想中,，人們看到了激動人心的前景,。
碳納米管：太空電梯有望成真
著名科幻大師阿瑟·克拉克1979年在其小說《天堂噴泉》中首次提出太空電梯概念。簡單來說,，太空電梯就是一條從地球表面延伸至太空的長電纜,，其質(zhì)心位于35786千米高的地球靜止軌道（GEO）。電磁飛行器將沿著電纜行進(jìn),，在地球和太空之間運(yùn)送乘客和有效載荷,。一旦夢想成真，其運(yùn)輸成本將大大低于火箭,，并將滿足人類在潔凈和可再生能源方面的需求,。他預(yù)言：“太空電梯將在人們停止對其嘲笑50年以后被制造出來�,！�
太空電梯如果能成為未來到達(dá)外層太空的運(yùn)輸系統(tǒng),，科學(xué)家面臨的首要問題就是電纜材質(zhì)的選擇。該電纜必須重量超輕,、強(qiáng)度超高,，可以承受地球大氣層內(nèi)外所有發(fā)射體的撞擊。日本太空電梯協(xié)會會長大野修一介紹,，經(jīng)過研究,，科學(xué)家們已開發(fā)了一種叫作碳納米管的纖維,，可達(dá)到所需強(qiáng)度的四分之一，這是已知最接近標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的物質(zhì),。
與此同時,，英國Nanocomp技術(shù)公司日前制造出了世界最大的碳納米管被單。雖然被單面積僅1.6平方米,，不足以充當(dāng)一條沙灘毯子,，但其包含數(shù)百億個碳納米管，強(qiáng)度為鋼的200倍,，而密度只有鋼的1/30,，這讓人類太空電梯的夢想顯現(xiàn)出絲絲光亮。日本科學(xué)家認(rèn)為,，他們可以解決這其中會遇到的材料,、工程等問題，目前正計(jì)劃在距離地球赤道地面36000千米的空中發(fā)射一顆靜止衛(wèi)星,，從衛(wèi)星上垂下一條總長度達(dá)10萬千米的納米材質(zhì)電纜,，預(yù)計(jì)建造成本僅1萬億日元。
美國麻省理工學(xué)院教授杰夫·霍夫曼表示,，相信人類在一個合理的時間框架內(nèi)能夠做到,，但目前沒有能力用碳納米管制造長電纜。
石墨烯：超級計(jì)算機(jī)放進(jìn)口袋
晶體管的發(fā)明打開了硅元素的應(yīng)用之門,。信息時代可以說是硅電子元器件的天下,，集成電路更是信息時代名副其實(shí)的“核心”。但隨著集成度越來越高,，晶體管的體積面臨物理極限,，內(nèi)部金屬導(dǎo)線也難以承受更高頻率的信號傳送，傳統(tǒng)硅集成電路發(fā)展遭遇瓶頸,。未來出路在哪里呢,？IBM的一項(xiàng)研究為人們打開了思路。據(jù)了解,，IBM用石墨烯制造成場效應(yīng)晶體管,，取代硅集成電路。這種石墨烯場效應(yīng)管的頻率可達(dá)100G赫茲,，即每秒一千億次以上,。如果用它來制作CPU、GPU之類的芯片,，不僅速度快,、能耗低，說不定超級計(jì)算機(jī)也可以放進(jìn)口袋,。
美國康奈爾大學(xué)研究人員還利用碳納米管代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅管,，制造出高效太陽能電池,，其在光能轉(zhuǎn)化成電能的過程中，可以使電流強(qiáng)度加倍,。研究人員稱碳納米管是一種理想的光電二極管,。
石墨烯晶體管和碳納米管在替代硅方面的應(yīng)用，或許有朝一日能讓人類告別硅時代,，那時候的“硅谷”可能要改成“碳谷”,。不過，石墨烯制造工藝要比單晶硅復(fù)雜得多,，可能需要一個很久遠(yuǎn)的時間才能實(shí)現(xiàn),。
核石墨：核電站的安全衛(wèi)士
核石墨具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊性好,、中子活化性能低等優(yōu)異性能,，早在第一代核裂變反應(yīng)堆就已經(jīng)使用。在第四代反應(yīng)堆,，特別是最近的高溫氣冷堆中，核石墨更是不可缺少的慢化,、反射和結(jié)構(gòu)材料,。日本核電站事故中的主反應(yīng)堆并沒有爆炸，發(fā)生爆炸的只是其儲存核廢料的部分,，而保住核電站主反應(yīng)堆的正是用純核石墨制成的外罩,。可以說,，核石墨在捕集核廢料,、吸收核放射粒子等方面具有極大應(yīng)用潛力，是核電站不折不扣的“安全衛(wèi)士”,。
據(jù)清華大學(xué)深圳研究生院院長康飛宇教授介紹,，核石墨主要用于生產(chǎn)石墨球、堆芯材料,、電極等制品,。由于核石墨對純度、各向同性等指標(biāo)要求比較高,，世界上至今只有德國西格里,、日本東洋炭素和東海炭素、法國羅蘭石墨等企業(yè)能夠生產(chǎn),，我國則主要依靠進(jìn)口,，而1噸核石墨的價格高達(dá)幾十萬元。
核石墨技術(shù)是核電站技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ),。目前,，我國正大力研究最先進(jìn)的第四代反應(yīng)堆,，反應(yīng)堆升級換代對核石墨的需求也水漲船高。如果新一代的核石墨外罩能夠做到一步成型,、無縫銜接,，相信核電技術(shù)也會發(fā)展得更快、更安全,。
碳納米管：太空電梯有望成真
著名科幻大師阿瑟·克拉克1979年在其小說《天堂噴泉》中首次提出太空電梯概念。簡單來說,，太空電梯就是一條從地球表面延伸至太空的長電纜,，其質(zhì)心位于35786千米高的地球靜止軌道（GEO）。電磁飛行器將沿著電纜行進(jìn),，在地球和太空之間運(yùn)送乘客和有效載荷,。一旦夢想成真，其運(yùn)輸成本將大大低于火箭,，并將滿足人類在潔凈和可再生能源方面的需求,。他預(yù)言：“太空電梯將在人們停止對其嘲笑50年以后被制造出來�,！�
太空電梯如果能成為未來到達(dá)外層太空的運(yùn)輸系統(tǒng),，科學(xué)家面臨的首要問題就是電纜材質(zhì)的選擇。該電纜必須重量超輕,、強(qiáng)度超高,，可以承受地球大氣層內(nèi)外所有發(fā)射體的撞擊。日本太空電梯協(xié)會會長大野修一介紹,，經(jīng)過研究,，科學(xué)家們已開發(fā)了一種叫作碳納米管的纖維,，可達(dá)到所需強(qiáng)度的四分之一，這是已知最接近標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的物質(zhì),。
與此同時,，英國Nanocomp技術(shù)公司日前制造出了世界最大的碳納米管被單。雖然被單面積僅1.6平方米,，不足以充當(dāng)一條沙灘毯子,，但其包含數(shù)百億個碳納米管，強(qiáng)度為鋼的200倍,，而密度只有鋼的1/30,，這讓人類太空電梯的夢想顯現(xiàn)出絲絲光亮。日本科學(xué)家認(rèn)為,，他們可以解決這其中會遇到的材料,、工程等問題，目前正計(jì)劃在距離地球赤道地面36000千米的空中發(fā)射一顆靜止衛(wèi)星,，從衛(wèi)星上垂下一條總長度達(dá)10萬千米的納米材質(zhì)電纜,，預(yù)計(jì)建造成本僅1萬億日元。
美國麻省理工學(xué)院教授杰夫·霍夫曼表示,，相信人類在一個合理的時間框架內(nèi)能夠做到,，但目前沒有能力用碳納米管制造長電纜。
石墨烯：超級計(jì)算機(jī)放進(jìn)口袋
晶體管的發(fā)明打開了硅元素的應(yīng)用之門,。信息時代可以說是硅電子元器件的天下,，集成電路更是信息時代名副其實(shí)的“核心”。但隨著集成度越來越高,，晶體管的體積面臨物理極限,，內(nèi)部金屬導(dǎo)線也難以承受更高頻率的信號傳送，傳統(tǒng)硅集成電路發(fā)展遭遇瓶頸,。未來出路在哪里呢,？IBM的一項(xiàng)研究為人們打開了思路。據(jù)了解,，IBM用石墨烯制造成場效應(yīng)晶體管,，取代硅集成電路。這種石墨烯場效應(yīng)管的頻率可達(dá)100G赫茲,，即每秒一千億次以上,。如果用它來制作CPU、GPU之類的芯片,，不僅速度快,、能耗低，說不定超級計(jì)算機(jī)也可以放進(jìn)口袋,。
美國康奈爾大學(xué)研究人員還利用碳納米管代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅管,，制造出高效太陽能電池,，其在光能轉(zhuǎn)化成電能的過程中，可以使電流強(qiáng)度加倍,。研究人員稱碳納米管是一種理想的光電二極管,。
石墨烯晶體管和碳納米管在替代硅方面的應(yīng)用，或許有朝一日能讓人類告別硅時代,，那時候的“硅谷”可能要改成“碳谷”,。不過，石墨烯制造工藝要比單晶硅復(fù)雜得多,，可能需要一個很久遠(yuǎn)的時間才能實(shí)現(xiàn),。
核石墨：核電站的安全衛(wèi)士
核石墨具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊性好,、中子活化性能低等優(yōu)異性能,，早在第一代核裂變反應(yīng)堆就已經(jīng)使用。在第四代反應(yīng)堆,，特別是最近的高溫氣冷堆中，核石墨更是不可缺少的慢化,、反射和結(jié)構(gòu)材料,。日本核電站事故中的主反應(yīng)堆并沒有爆炸，發(fā)生爆炸的只是其儲存核廢料的部分,，而保住核電站主反應(yīng)堆的正是用純核石墨制成的外罩,。可以說,，核石墨在捕集核廢料,、吸收核放射粒子等方面具有極大應(yīng)用潛力，是核電站不折不扣的“安全衛(wèi)士”,。
據(jù)清華大學(xué)深圳研究生院院長康飛宇教授介紹,，核石墨主要用于生產(chǎn)石墨球、堆芯材料,、電極等制品,。由于核石墨對純度、各向同性等指標(biāo)要求比較高,，世界上至今只有德國西格里,、日本東洋炭素和東海炭素、法國羅蘭石墨等企業(yè)能夠生產(chǎn),，我國則主要依靠進(jìn)口,，而1噸核石墨的價格高達(dá)幾十萬元。
核石墨技術(shù)是核電站技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ),。目前,，我國正大力研究最先進(jìn)的第四代反應(yīng)堆,，反應(yīng)堆升級換代對核石墨的需求也水漲船高。如果新一代的核石墨外罩能夠做到一步成型,、無縫銜接,，相信核電技術(shù)也會發(fā)展得更快、更安全,。
