碳納米管苦等20余年終于迎來(lái)“春天”！？
碳納米管（CNT）誕生于1991年。如今，CNT終于看到了全面投入量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的希望。CNT從發(fā)現(xiàn)之初就是備受關(guān)注的“夢(mèng)之材料”，迄今為止，每年發(fā)表的研究論文都多達(dá)數(shù)千篇，但是，由于其中還存在若干重大課題，一直難以實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。就在CNT原地踏步的時(shí)候，同為碳材料的富勒烯（C60），以及“發(fā)現(xiàn)”更晚的石墨烯登上舞臺(tái)，發(fā)現(xiàn)者均獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。CNT的發(fā)展落在了后面，雖然距離其發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過(guò)了21年，但CNT的實(shí)用化事例極其有限，只在近期作為了網(wǎng)球拍的框架材料，也就是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）的添加劑。
CNT的實(shí)用化之所以進(jìn)展遲緩，是因?yàn)榇嬖诜浅６嗟恼n題。其中，最重大的課題之一是缺乏高純度CNT的量產(chǎn)技術(shù)。雖然已開(kāi)發(fā)出了使用化學(xué)氣相沉積（CVD）法的生產(chǎn)方法，但金屬催化劑等雜質(zhì)大量殘留的問(wèn)題一直沒(méi)能解決。使用普通的CVD法時(shí)，金屬催化劑甚至?xí)嫉缴晌镎w的7成（重量比）。不過(guò)，借助日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所在2004年開(kāi)發(fā)的“超速成長(zhǎng)法（Super Growth）”，單層CNT（SWNT）的純度問(wèn)題已經(jīng)得到了大幅改善。憑借日本瑞翁公司（Zeon）對(duì)量產(chǎn)技術(shù)的不斷研究，如今產(chǎn)品的純度似乎已經(jīng)達(dá)到了99.98％。多層CNT（MWNT）的生產(chǎn)方法也在改進(jìn)之中，量產(chǎn)產(chǎn)品純度達(dá)到95％也已經(jīng)不再稀奇。
隨著量產(chǎn)的開(kāi)展，CNT的另一個(gè)重大課題——價(jià)格也在大幅下滑。在2005年左右，CNT的價(jià)格高達(dá)每克10萬(wàn)日元以上，而且還是有很多雜質(zhì)的。這樣的話，即使研究室得到的結(jié)果再有希望，也無(wú)法應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用途。但在最近，MWNT的量產(chǎn)進(jìn)步顯著，比利時(shí)Nanocyl等公司的年產(chǎn)規(guī)模甚至達(dá)到了400t。因此，MWNT的價(jià)格降到了每千克1萬(wàn)日元左右，僅為2005年的萬(wàn)分之一。與太陽(yáng)能電池等產(chǎn)品相同，中國(guó)企業(yè)也在紛紛參與MWNT生產(chǎn)，今后，MWNT的價(jià)格估計(jì)還會(huì)繼續(xù)滑落。雖然SWNT的量產(chǎn)，特別是使用超速成長(zhǎng)法的量產(chǎn)尚未展開(kāi)，但其市場(chǎng)期待已經(jīng)超過(guò)了MWNT。
其實(shí)，SWNT也存在其特有的課題，那就是金屬型與半導(dǎo)體型CNT混合的問(wèn)題。SWNT根據(jù)碳原子六元環(huán)，也就是“網(wǎng)”的連接方式（手性）的差別，分為金屬型的CNT與半導(dǎo)體型的CNT兩種。而且在制造時(shí)，金屬型與半導(dǎo)體型CNT混雜在一起，這是把SWNT作為半導(dǎo)體使用的重大障礙。在此之前，CNT的應(yīng)用之所以局限于CFRP等非電子元器件，以及電子元器件中蓄電池、電容器電極材料等比較簡(jiǎn)單的導(dǎo)電材料，正是出于這個(gè)原因。但在最近，這項(xiàng)課題的解決已有了眉目，雖然分別來(lái)制造金屬型CNT與半導(dǎo)體型CNT的技術(shù)還不存在，但能夠在室溫下簡(jiǎn)單分離二者的技術(shù)已經(jīng)問(wèn)世。今后，SWNT在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用也有望擴(kuò)大。
但CNT還有其他一些問(wèn)題，例如，有觀點(diǎn)指出CNT與石棉一樣會(huì)危害健康、因?yàn)殡y以分散于水等溶劑而不易處理等。不過(guò)，隨著危害健康的條件逐漸明朗，以及使CNT在分散時(shí)不受到破壞的方法問(wèn)世，這些課題也即將得到解決。
最后的課題是用途。在此之前，CNT最多只是用作CFRP添加劑，但隨著其價(jià)格的下跌，CNT非常有望用作蓄電池或超級(jí)電容器的部分電極材料。對(duì)于企業(yè)而言，如今正是決定是否為該用途投資建設(shè)制造設(shè)備的關(guān)鍵時(shí)期。
雖然CNT面臨著諸多課題，但大多數(shù)課題都有了解決之道，其優(yōu)越性能可以發(fā)揮的日子為期不遠(yuǎn)。特別值得提出的是，日本的研究者和技術(shù)人員在從CNT的發(fā)現(xiàn)到CVD法的開(kāi)發(fā)到諸多課題的解決上所做出的卓越貢獻(xiàn)。2012年3月，被譽(yù)為“工程學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)”的“Queen Elizabeth Prize for Engineering”（伊麗莎白女王工程將）也已設(shè)立，筆者預(yù)感，今后這些研究者和技術(shù)人員將會(huì)以某種形式為人們所矚目。（記者：野澤 哲生，《日經(jīng)電子》）
