【正文】 68 納米碳管 (NTs)即管狀的納米級(jí)石墨晶體 ， 是單層或多層石墨片圍繞中心軸 ， 按一定的螺旋角卷曲形成的無(wú)縫納米級(jí)管 ， 管端基本上都封口 。 每層納米管是一個(gè)由碳原子通過(guò) sp2雜化與周圍 3個(gè)碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六邊形平面組成的圓柱面 。 其平面六角晶胞邊長(zhǎng)為 nm， 最短的碳－碳鍵長(zhǎng) nm。 根據(jù)制備方法和條件的不同 ， 納米碳管存在多壁納米碳管 (MWNTs)和單壁納米碳管 (SWNTs)兩種表式 。 多壁納米碳管的層間接近 ABAB…… 堆垛 ， 其層數(shù)從 2～ 50不等 ， 層間距為 (～ ) nm， 與石墨層間距 ( nm)相當(dāng) 。 單壁納米碳管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為～ 3 nm。 納米碳管的長(zhǎng)度從幾十納米到 1 微米 。 無(wú)論是多壁納米碳管還是單壁納米碳管都具有很高的長(zhǎng)徑比 , 一般為 100～ 1000, 最高可達(dá) 1000～ 10000, 完全可以認(rèn)為是一維分子 。 碳納米管的 結(jié)構(gòu) 69 電弧放電法中陰極采用厚約 10 mm， 直徑約 30 mm的高純高致密的石墨片 ， 陽(yáng)極采用直徑約 6 mm的石墨棒 ，整個(gè)系統(tǒng)保持在氣壓約 l04 Pa的氦氣氣氛中 ， 放電電流為50 A左右 ， 放電電壓 20 V， 通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極進(jìn)給速度 ， 可以保持在陽(yáng)極不斷消耗和陰極不斷生長(zhǎng)的同時(shí) ， 兩電極放電端面間的距離不變 ， 從而可以得到大面積離散分布的碳納米管 。 碳納米管的制備 碳納米管的制備方法有多種，其中電弧放電和催化熱裂解是兩種使用較廣的方法 催化熱裂解法制備的碳納米管結(jié)構(gòu)較單一、純度較高。一般采用催化劑 Ni作為襯底材料，在 700 ℃ 溫度下催化裂解乙烯制備碳納米管。 70 碳納米管的應(yīng)用 (1)高強(qiáng)度碳纖維 材料理論計(jì)算表明，納米碳管的抗張強(qiáng)度比鋼高 100倍，但重量只有鋼的六分之一。其長(zhǎng)度是直徑的幾千倍， 5萬(wàn)個(gè)并排起來(lái)才有人的一根頭發(fā)那么寬，因而號(hào)稱“超級(jí)纖維”。 (2)復(fù)合材料 近年的研究表明，納米碳管與介孔固體 (孔徑在 2～ 50 nm的多孔固體 )組裝，形成介孔復(fù)合體，將是一種特殊性能的新型材料。 碳納米管自身重量輕，具有中空的結(jié)構(gòu)，可以作為儲(chǔ)存氫氣的優(yōu)良容器，儲(chǔ)存的氫氣密度甚至比液態(tài)或固態(tài)氫氣的密度還高。適當(dāng)加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來(lái)。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲(chǔ)氫容器。 （ 3）儲(chǔ)氫材料 71 微型化學(xué)開關(guān)－朝著分子計(jì)算機(jī)邁出一大步 一些新型材料發(fā)展 現(xiàn)在科學(xué)家將開發(fā)出的微型化學(xué)開關(guān)細(xì)如毛發(fā)，可反復(fù)開啟和關(guān)閉，從而可能用來(lái)制造隨機(jī)存取的存儲(chǔ)器。這是計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備，它使用戶能保存和任意處理信息。 分子計(jì)算機(jī)將淘汰掉今天體積龐大、笨重、能耗巨大的硅計(jì)算機(jī) 目前的晶體管尺寸比分子器件大 8000倍，最終計(jì)算機(jī)將變得十分微小，可編織到衣服中。 它能完整地保存大量數(shù)據(jù)而不必?fù)?dān)心出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或其它故障 一般的計(jì)算機(jī)，基本器件是二極管（開關(guān)，電流放大器）、三極管（信號(hào)－電壓放大器，信息存儲(chǔ)器）。 72 它是由兩個(gè)微小的互相連鎖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成的。通過(guò)施加電脈沖可以移走一個(gè)電子，從而導(dǎo)致一個(gè)環(huán)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)或繞另一個(gè)環(huán)旋轉(zhuǎn)，這就打開了開關(guān)。若把電子送回原處，便會(huì)使開關(guān)關(guān)閉。如右圖的分子結(jié)構(gòu)中，－ SH與 Au易結(jié)合，中間苯環(huán)的電子可流動(dòng)。加電場(chǎng)時(shí)，苯環(huán)發(fā)生扭曲，電子不能通過(guò)－－這就是二極管。它在 5V時(shí)，可承受 ,穿過(guò)分子通道的電子數(shù)約為 1012個(gè)，相當(dāng)于電子是逐步通過(guò)的。 NOH N23SHSH AuAu微型化學(xué)開關(guān)的基礎(chǔ)是一種叫連環(huán)體的分子（ 4－二苯硫酚－ 3－氨基硝基苯，如圖）。 微型化學(xué)開關(guān)－朝著分子計(jì)算機(jī)邁出一大步 73 基因芯片 基因芯片，也叫 DNA芯片，是在 90年代中期發(fā)展出來(lái)的高科技產(chǎn)物?；蛐酒笮∪缰讣咨w一般，其基質(zhì)一般是經(jīng)過(guò)處理后的玻璃片。每個(gè)芯片的基面上都可劃分出數(shù)萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)小區(qū)。在指定的小區(qū)內(nèi)，可固定大量具有特定功能、長(zhǎng)約 20個(gè)堿基序列的核酸分子（也叫分子探針）。 74 基因芯片即脫氧核糖核酸（ DNA） 陣。在不大的芯片上，儲(chǔ)存著巨大數(shù)量的信息，而傳遞信息的使者就是 DNA。 基因芯片由若干基因探針構(gòu)成，每種基因探針包含著由若干個(gè)核苷酸對(duì)構(gòu)成的 DNA片段。 基因芯片的工作原理與探針相同。在指甲蓋大小的芯片上，排列著許多已知堿基順序的 DNA片段，根據(jù)堿基互補(bǔ)規(guī)律，芯片上單鏈的 DNA片段能捕捉樣品中相應(yīng)的ＤＮＡ，從而確定對(duì)方的身份，通過(guò)這種方式可準(zhǔn)確識(shí)別異常蛋白等。 基因芯片的制作是一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù)，要在小小的玻璃芯片上加工數(shù)十萬(wàn)個(gè)孔槽，然后在每個(gè)孔上精確地放上不同的、特定的 DNA片段而不使它們發(fā)生任何混淆則是十分困難的。更重要的是，要制作基因芯片，首先必須分離出數(shù)十萬(wàn)種不同的 DNA片段，并了解它們各自的功能特點(diǎn)。 基因芯片 75 中國(guó)科學(xué)家已分別研制出白血病病毒毒檢芯片、染色體易位檢測(cè)基因芯片、白血病相關(guān)癌基因表達(dá)檢測(cè)基因芯片和白血病相關(guān)癌基因突變檢測(cè)基因芯片。在此基礎(chǔ)上，綜合設(shè)計(jì)出白血病預(yù)警基因芯片。這一基因芯片從設(shè)計(jì)、制作到檢測(cè)等都擁有自己的特色，并自成體系。 通過(guò)基因芯片檢查，可以發(fā)現(xiàn)血液中是否存在白血病病毒，細(xì)胞是否存在突變的基因，以此來(lái)診斷某患者是否患有白血病，可能或?qū)⒂卸啻罂赡馨l(fā)生白血病，并能指導(dǎo)醫(yī)生用藥。 基因芯片 76 基因芯片將用于許多創(chuàng)新性研究，從癌癥的基因到使艾滋病病毒產(chǎn)生抗藥性的基因變異。它將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的體格檢查和疾病診斷辦法，盡早預(yù)知疾病。通過(guò)用幾個(gè)基因芯片探查你的基因，就可了解你全部的遺傳缺陷，預(yù)測(cè)你未來(lái)若干年的健康會(huì)受到哪些威脅，以便采用相應(yīng)的對(duì)策加以預(yù)防，當(dāng)然也可以采用基因療法加以治療。 由于被固定的分子探針在基質(zhì)上形成不同的探針陣列，利用分子雜交及平行處理原理，基因芯片可對(duì)遺傳物質(zhì)進(jìn)行分子檢測(cè)，因此可用于進(jìn)行基因研究、法醫(yī)鑒定、疾病檢測(cè)和藥物篩選等?；蛐酒夹g(shù)具有無(wú)可比擬的高效、快速和多參量特點(diǎn)，是在傳統(tǒng)的生物技術(shù)如檢測(cè)、雜交、分型和 DNA測(cè)序技術(shù)等方面的一次重大創(chuàng)新和飛躍。 基因芯片 77 DNA計(jì)算機(jī) 用一個(gè)盛著液體的試管來(lái)解答數(shù)學(xué)題乍聽起來(lái)像是天方夜譚，可這種事情卻真真切切地發(fā)生了。 DNA的計(jì)算并行度是非常大的，在 1毫升的 DNA溶液中，可以容納 1018條 DNA。 每條 DNA都可以看成是一個(gè)微處理器。雖然生化反應(yīng)是在一小時(shí)之內(nèi)完成的， DNA每秒種的運(yùn)算量卻可以達(dá)到 1015次?，F(xiàn)在最快的計(jì)算機(jī)每秒種的運(yùn)算速度是 1012次。這樣的話， DNA計(jì)算要比最快的計(jì)算機(jī)還要快一千倍。 DNA體積很小，但存儲(chǔ)的信息量卻很大。 1克 DNA所能存儲(chǔ)的信息量可與 1萬(wàn)億張 CD光盤相當(dāng)，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)。 78 雖然 DNA計(jì)算很吸引人，但近期還不能投入使用。關(guān)鍵在哪里呢？首先是信息的輸入、輸出問(wèn)題。要想看到DNA計(jì)算的結(jié)果，要先擴(kuò)增，再做電泳。這些都需要很長(zhǎng)的時(shí)間和很繁雜的操作。 目前， DNA計(jì)算機(jī)還稱不上是真正意義的計(jì)算機(jī)。它看上去只不過(guò)是一些盛有液體的試管。它更象算盤，很初級(jí)，需要人的協(xié)助才能完成計(jì)算。得這是很原始的DNA計(jì)算機(jī)卻代表了人類更高的智慧。 科學(xué)的發(fā)展使一個(gè)個(gè)不可能成為可能。未來(lái)的計(jì)算機(jī)將突破以硅為基礎(chǔ)的圖靈機(jī)的形式，以人們做夢(mèng)都想不到的形式展現(xiàn)在我們眼前。 DNA計(jì)算機(jī) 79 氮也有極活潑的單質(zhì)－－“鹽類”炸彈 人們都知道，氮在自然界的存在形式是 N2。 它于 1772年就被分離出來(lái)，是極穩(wěn)定的單質(zhì)。 N3在 19世紀(jì) 90年代被發(fā)現(xiàn)，是極不穩(wěn)定、易爆炸的物質(zhì)。 1998年 11月，在美國(guó)愛(ài)德華茲空軍基地（這是宇航飛機(jī)、宇航員培訓(xùn)基地）有一間實(shí)驗(yàn)室發(fā)生了爆炸。爆炸物才 ， 約鹽粒大小，被稱為“鹽粒炸彈”。炸彈爆炸時(shí)，實(shí)驗(yàn)室主任大聲歡呼：“在預(yù)料之中！在預(yù)料之中！ ”原來(lái)他們合成了 N5 。現(xiàn)在的火箭推進(jìn)劑，發(fā)射 1噸設(shè)備需 50噸燃料，若用，則可大大減少。 NNNNN制造 N5的方法是用 N2與 As F2混合，在真空條件下，在不銹鋼與特氟隆制造的試管中合成的。原來(lái)每次只能合成 體，現(xiàn)在可以合成 。 這種極不穩(wěn)定的物質(zhì)， 要保存在－ 80 ℃ 的干冰里。 80 塑料汽車、坦克 1998年美國(guó)克萊斯勒汽車公司宣布，它們用對(duì)苯二甲酸乙酯作原料，研制出一種新型塑料汽車。車身只需 6大部分組成，而一般金屬車身需 80個(gè)部件。造價(jià)降低一半且不用油漆。他們將于 2022年試生產(chǎn)這種塑料汽車。據(jù)悉，這種塑料汽車可采用舊塑料作為原料，因此可視為環(huán)保汽車。 2022年初，英國(guó)研制出環(huán)氧樹脂和玻璃鋼為主要原料制成的坦克，其抗打能力并不比金屬差。由于塑料制成的，所以雷達(dá)幾乎對(duì)它不起作用，因而具有完全的隱身功能。在戰(zhàn)場(chǎng)上塑料比鋼鐵更易恢復(fù)，重量輕（約24噸，比裝甲坦克輕 10噸）速度更快（ 80km／ h）；機(jī)動(dòng)性大為增強(qiáng)，燃料消耗也更低（減少后勤供給的壓力），對(duì)乘員來(lái)說(shuō)更安全（不用擔(dān)心被擊中后金屬碎片傷人）。