“如果有一天人們能夠按照自己的意願排列原子和分子，那將創造什麼樣的奇蹟”？

圖1 美國著名理論物理學家費曼

這是美國著名理論物理學家費曼於1959年12月在加州理工學院作演講時曾經提出的預言，這也被認為是對奈米科技的最早構想。在過往的幾十年間，奈米科學與技術領域發生了翻天覆地的變化，並取得了可喜的進展。奈米科技的發展不僅給人類帶來了對自然界的全新認識，同時也給人類提供了種類繁多且應用廣泛的奈米材料。碳奈米管，就是奈米材料中的一個傑出代表。

圖2 碳奈米管發現者飯島澄男和碳奈米管模型

碳奈米管自1991年被日本NEC公司科學家飯島澄男報道以來，很快便成為奈米科學技術領域研究的熱點。碳奈米管是由一層或者多層石墨烯按照不同的方式捲曲成的空心管，分別稱為單壁碳奈米管和多壁碳奈米管。碳奈米管具有力學、電學、熱學、聲學、磁學以及光學等多方面的優異效能和廣闊應用前景。在過去的30年間，研究者們在碳奈米管的生長機理、結構、效能、可控制備以及應用方面開展了海量的研究並取得可喜的成果。早在1895年，前蘇聯科學家就提出地月之間跨越38萬公里搭建“人造天梯”的偉大夢想，而要實現這個夢想就必須找到一種超級材料，科學家計算出迄今為止僅有一種材料能夠滿足諸此苛刻的要求，它就是：碳奈米管！

圖3 地月碳奈米管天梯

從理論上講，碳奈米管具有極為優異的力學、電學及熱學等方面的效能。在力學性質方面，由於碳奈米管管層由以sp2雜化方式形成的六元環碳碳最強共價鍵組成，這賦予了碳奈米管極好的力學效能。理論計算機實驗結果表明，碳奈米管的拉伸強度高達100-200GPa，楊氏模量超過1TPa，遠遠超過碳纖維和鋼材的力學強度。在電學性質方面，由於以sp2雜化方式形成的碳碳鍵具有接近光速1/300的極高電子費米速率，這使其金屬型碳奈米管的電子遷移率高達20000cm2/（V·s）以上，碳奈米管所能承受的電流密度是銅線的1000倍；而對於半導體型碳奈米管來講，由於量子限域效應，其場效應器件的開關比高達107以上。

圖4 碳奈米管積體電路

圖5 碳奈米管電子器件

這些效能遠遠超過目前的矽基材料器件，成為下一代電子產業最有競爭力的基元材料，成為打破後摩爾時代瓶頸的關鍵材料所在，將來可以用碳奈米管排列成各種複雜的網路結構，搭建起上億個邏輯運算通路，製造出運算速度更快、儲存容量更大、功耗更低的“全碳奈米管計算機”。