普利克尔·阿加延一边打着电话，一边漫步于莱斯大学的校园中。天气以任何标准来衡量都是又湿又热，但对于休斯顿来说不过是司空见惯的又一天。或许这是莱斯大学材料科学与纳米工程系的首任系主任阿加延一直都从容冷静的原因。
“接着说，”他对着电话说，从他的声音中能听出一丝笑容。“有什么难题尽管问吧。”
大约15年前，人们本以为世界将会见证一次革命的开始。科学家们在资金申请书和白皮书里，公共关系官员们在新闻发布会里，记者们在杂志文章中都表达着相同的观点——碳纳米管将会改变这个世界。
它们能驱动更好的电视机，它们能替代晶体管和尖端电子设备中的硅，它们能用来建造太空电梯。但是纳米管革命并没有出现在电视机上，硅依然是半导体之王，能送人去月亮的太空电梯依然是一种憧憬。
那么到底发生了什么？研究了几十年纳米管的阿加延向《化学化工新闻》解释了这个问题。简单来说，他说，就是事实上每种激动人心的新材料出现时都会发生的同样的事情：炒作。
研究者们一认识到纳米管有优异的性能，人们就开始畅想它的各种应用，有现实的也有梦幻的。但科学家们还没找到有效率地生产成本合适的高质量碳纳米管的方法。当更新的纳米管技术没能迅速地成型的时候，人们的注意力就转移了。
许多把赌注下在纳米管的前景上的公司失败了，或者仍然在苦苦为自己的产品创造市场需求。许多科学家舍弃了纳米管转向石墨烯和其他被认为是“下一个大事件”的材料，使得很多纳米管问题都悬而未决。随着研究领域的萎缩，经费也萎缩了。
但是，有部分公司还是能够盈利的。仍然还有一些对前景乐观的研究人员致力于纳米管研究。“纳米管是令人兴奋的材料，”阿加延说。“它们是让人着迷的材料，它们仍然有潜力。”
（图片来源：https://www.1ohww.org/researchers-acid-free-approach-leads-strong-conductive-carbon-threads/)
它们将被称为奇迹材料
对于纳米管阿加延有着独特的视角：他是首先对这类结构使用这个名称的人之一。在饭岛澄男于1991年将碳纳米管带进全球科学家团体的视野的时候，他已经在日本的电子产品公司NEC开始了与饭岛的合作。
饭岛并不是第一个发现碳纳米管的人，但是他的工作为碳纳米管设定了未来的道路。他意识到他的碳纳米管就像单层的石墨卷曲成空心的圆筒。饭岛和其他人很快就发现这些圆筒拥有不可思议的电性能和机械性能。
研究人员很快就研发出了在尺寸、导电性能和能耗方面都优于硅晶体管元件的碳纳米管。碳纳米管还能做到在重量比钢轻的情况下，强度达到钢的几百倍。
“在那时候，碳纳米管只是一种新材料，只是科学美丽的一角，”阿加延回忆道。“我甚至不说那个时候有炒作。那个时候只是激动。”
但是在新千年到来时，随着碳纳米管赢得了“奇迹材料”的名声后，情况开始变化了。
体育产品公司在研究人员确认碳纳米管材料能够提供的优势之前，就开始兜售含有碳纳米管的设备。
科学家团体中也有些人，在没有考虑过替代一个根基牢固、迅速发展的而且是日进斗金的硅基半导体工业需要多大的努力时，就开始将碳纳米管粉饰为硅的接替者，阿加延说。
尽管如此，碳纳米管生产商依旧怀着这些被吹嘘出来的潜力能实现的心态开始了投资。到2012年，他们建造了年产能达到2800吨的碳纳米管生产设备，安东尼·维卡里说。维卡里是一家独立技术咨询公司——勒克斯研究公司的高级分析师。然而，维卡里估计，对碳纳米管的需求还没有超过如今产能的20%。
这种不平衡的原因部分在于被生产出来的材料本身。科学家们说，大多数能通过商业途径获得的碳纳米管是“脏的”。样品中经常包含多壁碳纳米管——直径逐渐减小的单壁碳纳米管叠放在一个更大的单壁碳纳米管中。样品的直径范围还经常太宽，而且有许多杂质，比如金属催化剂颗粒和无定形碳。
尖端电子领域应用需要高纯度的、形状近乎相同的单壁碳纳米管。单壁碳纳米管是以克或毫克为单位出售的,而容易生产的多壁碳纳米管则是以吨为单位生产的。
尽管如此，制造商们仍希望多壁碳纳米管能够替代其他形式的碳用于锂离子电池的电极材料和作为聚合物复合材料的纤维状增强成分。
在2007年，《化学化工新闻》曾报道过市场研究机构弗里多尼亚集团预测2009年多壁碳纳米管将会拥有价值1亿2千万美元的市场，到2014年会增长为4亿7千万美元（见2007年11月12日出版的《化学化工新闻》第29页）。而当勒克斯研究公司2011年汇总多壁碳纳米管的市场价值时，全球销售量只有惨淡的1千万美元，预计到2020年能勉强达到5千5百万美元。
随着现实与过高的期望无法匹配，有迹象表明业界对多壁碳纳米管看好的态度开始淡化。拜耳材料科学于2013年退出了多壁碳纳米管的生产，声称原因为市场过于碎片化，拜耳的退出使全球碳纳米管的年产能减少了200吨。
虽然拜耳有能力将碳纳米管从其产品系列中退出并翻过这一页，但在过去的二十年间，许多小型碳纳米管公司已经破产了。
炒作的余荫
1990到2000年间各界对碳纳米管的炒作不仅刺激了民众的好奇心理，也带来了担忧。人们开始询问这些被认为能改变他们生活的纳米尺度的细管如果进入了人体会怎么样。纳米管研究团体对这些问题并没有充分的准备。
“多壁碳纳米管变成了典型的‘坏纳米’”，莱斯大学斯莫里纳米科学技术研究所的化学家詹姆士·M·图尔说。“坏”在这里表示有毒。
大的、刚性的多壁碳纳米管如果被吸入，表现的会像石棉一样让人中毒，图尔解释道。而小的、有弹性的单壁碳纳米管危险性则小得多，他叙述道。“尽管如此，人们总是把它们混为一谈”，图尔说。
“‘碳纳米管’确实是一大类不同材料的笼统名称”，加州大学尔湾分校研究纳米管电子学的物理教授菲利普·G·科林斯说。真正纳米尺寸的单壁碳纳米管和毫米长度的多壁结构的区别是很大的，但两者都被称为碳纳米管。
这种不精确的语言，伴随着想要在这一快速增长的领域中为自己谋得一席之地的研究者们提交的大量早期文献，使得其含义特别容易令人混淆，科林斯说。
“乱七八糟的东西全被发表了。你能想象出的所有的东西都在那儿：‘你能用碳纳米管做美味的花生酱和果冻三明治’，”他笑着说道。
不幸的是，这其中还包括了一些显得互相矛盾的重要结果。克林斯继续说道：“纳米管有毒，纳米管无毒；纳米管是完美的导体，哦不它们不是；纳米管超级强劲，除非它们断掉的时候。”
每项主张的正确性——每项其实都是能成立的——依赖于碳纳米管的种类，依赖于它们被处理的方式以及它们被测试的方式。研究者们现在非常明确这一点，他们已经把许多必要的明确定义添加到了领域中，图尔说。
但是早期的文献对于新的纳米管研究者来说依然存在着理解上的困难，特别是对研究生来说，他们必须弄清楚哪种主张在哪些条件下才是正确的，科林斯说。
费登·艾佛里斯也对进入材料领域研究的年轻科学家们表示担忧。艾佛里斯是科林斯的博士后导师，他曾在IBM开展过一些最早的描绘碳纳米管的特性的实验。“要让年轻人忽视炒作是很困难的，”他说。“太多的人追求时尚和潮流而不是自己的兴趣。”
如今，当科学家们聚焦于研究一种新材料时，大家就会蜂拥去描述它的特性，在知名期刊上发表关于其属性的文章，然后又转向另一种材料，艾佛里斯说。“剩下一堆未完成的工作和未证明的理论，”他对化学化工新闻记者说道。研究者们研究出对一种材料的基本理解，但并不研究怎样去使用它们。“没什么人愿意去研究能够带来应用的难题。”
艾佛里斯补充说，许多学生受到“新型材料”研究的招牌吸引，觉得这类研究看得到发表引人注目的论文的希望，能为自己的简历增色。“这无可厚非，”他说，“他们需要找工作。”
另一个让碳纳米管研究对现在的学生失去吸引力的因素是研究资金比十年前更难得到保证，研究人员说。有些人将此种状况归因于资助机构追随炒作，选择将资金投入石墨烯和其他更流行的二维材料而不是碳纳米管。
但并非每个人都同意这个观点。米哈伊尔·C·（迈克）洛克是美国国家科学基金会（NSF）纳米技术高级顾问，也是美国国家纳米技术计划（NNI）幕后的关键设计师。美国国家纳米技术计划（NNI）自其于2001年成立以来，已在纳米技术研发领域投资超过220亿美元（美国国家科学基金会是促成国家纳米技术计划的20个机构之一）。
“碳纳米管是纳米技术的一个组成部分，”洛克说，“在发展纳米科学的进程中，组成部分是很重要，但他们并不是应用中的最终目标。” 美国国家科学基金会和国家纳米技术计划自2010年起，就更倾向于越过组成部分并朝着最终目标前进：即建设能为医药、工业和其他领域的问题带来新的解决方案的纳米技术体系，他说。
碳纳米管的研究肯定帮助了研究者们进入建设这一体系的轨道，洛克说这一体系的雏形已经呈现，并将在未来的15年中持续发展。“碳纳米管使得人们的注意力聚焦于理解纳米尺度的物质，聚焦于制作新的工具，聚焦于能效和如何建立能够跨学科的团体”，洛克解释道。他相信这些理念有益于整个纳米技术的发展，它们将会是碳纳米管研究持久的遗产，它们的影响可能会比任何应用更加持久。
碳纳米管的溶液（右）和用碳纳米管制成的传感器（左）（图片来源：https://phys.org/news/2013-09-carbon-nanotubes-path-flexible-low-cost.html）
复合材料竞争者
碳纳米管已经在实际应用领域确立了它们的位置，虽然主要用途是作为增加复合材料的强度或是提高锂离子电池性能的填充材料。尽管这些技术不如下一代晶体管那么吸引人，但它们已足够成功，使得如同Zyvex Technologies这样的公司能够持续经营。
公司的成功，部分来源于直接正视被夸大的预期，Zyvex的董事长兰斯·克里斯库洛说。“我们尽全力去校正客户的预期”，他解释道。
公司仔细地列出了他们主要的多壁碳纳米管产品相比于更传统的产品、比如碳纤维复合材料的优势，他说。
公司的成功过程中，化学也扮演了重要的角色。碳纳米管倾向于相互粘结在一起，不和其他的东西抱团，使得它难以在高聚物基质中分散，从而难以在复合材料中利用它们的机械性能。Zyvex使用共轭聚合物将碳纳米管改性，使之更好地和树脂成为一体。
美国国家航空航天局（NASA）在碳纳米管方面的前进道路也是和直接质疑炒作相关，高级研究员艾米丽·J·（米亚）索契说。
NASA的研究团队在2008年后退一步，开始将碳纳米管复合材料和已经在使用的材料作比较。“如果要说碳纳米管是革命性的材料，革命性到底在哪？”索契问道。“这就意味着它们必须令人相信它们能替代目前技术上最先进的材料。”
研究人员们认为，如果想要改进现有的复合材料，就需要瞄准一个确切的目标。因此索契和她的团队询问NASA的其他材料科学家：“我们要做到比碳纤维复合材料好多少，你们才会关注，碳纳米管才会有影响？”
那次讨论之后，索契团队决定将目标定为使碳纳米管材料在“比强度”（注）上超越碳纤维复合材料——“比强度”是一种与密度相关的衡量材料强度的方法。将现有复合材料的比强度翻倍的话，航天器的重量能减少数千磅，索契说。
索契团队与他们的纳米管材料供应商Nanocomp Technologies合作，现在已经制造出碳纳米管占了材料本身重量的70%-80%的复合材料。要最优化这些材料，NASA还有很多工作要做，索契说，但是最近的成果是鼓舞人心的。
她也相信她的团队的方法能应用于碳纳米管研究的其他领域。“我想我们只需要开始考虑究竟是哪些具体的问题使得这种材料难以得到应用”，她说，“碳纳米管潜力实在太大了，我们不得不去了解怎样才能利用它。”
从填充物到杀手级应用
莱斯大学研究材料的理论家伯瑞斯·I·雅各布森正处于参加一个会议的会间休息中。他和《化学化工新闻》的记者坐在弗吉尼亚阿灵顿凯悦酒店空无他人的餐厅里，在他的笔记本上绘出了一条炒作周期曲线。
曲线倾斜上升至顶峰——过高期望的峰值——然后下降到泡沫化的低谷期。然后它又稍稍反弹了一点点。雅各布森拿起笔在曲线的低谷和终点之间敲击：稳步爬升的光明期。“我想我们正处于这个位置”，他说。
碳纳米管曲折的发展历程
对于他的主张，雅各布森有许多理由，多数都和样品的均一性有关。纳米管制造者们对于生产用于高科技电子产品的单壁纳米管确实越来越得心应手了，但这只是问题的一部分。
为了理解纳米管的均一性，雅各布森建议考虑纯度对有机合成化学家的意义。纯的样品包含的是完全相同的分子，元素组成和原子之间的结构都相同。“他们决不会说，‘嘿，谁想要这桶碳氢化合物的混合物？’”他解释道。
然而碳纳米管，就是典型的一包或者一桶混合物。每根碳纳米管都是由一种原子构成，但是纳米管是卷曲的，或者说是手性的。卷曲的程度决定了碳纳米管的物理化学性质。
即使有一种生长方式能获得相同直径的碳纳米管，通常获得的也是随机卷曲的碳纳米管的混合物。然而两个不同的研究团队最近研究出了控制碳纳米管手性的的方法。
雅各布森说这些结果虽然令人鼓舞，但他并不确信哪一种方法能够放大到工业处理过程中使用。商业合成手性可控的碳纳米管需要很多年的研发，他说。与此同时，研究人员们已经找到了依据不同手性分离非均一性样品中不同碳纳米管的方法。
大约从2003年起，也曾在IBM公司和阿弗瑞斯一同工作过的马克·C·赫萨姆在西北大学开始了碳纳米管研究工作，他很快就意识到如果他要研发出创新性的技术，就需要数以十亿计的相同的碳纳米管。他认为分离的方法或许会有帮助。
虽然手性是纯度问题的根源，但是赫斯曼的团队意识到它也可能是解决问题的办法。半导体性的碳纳米管和金属性的碳纳米管卷曲的程度不同。这种不同会影响碳纳米管在水中和表面活性剂分子的作用。
碳纳米管的手性决定了表面活性剂分子在其表面上的排列方式。因此，表面活性剂分子以不同的方式装饰了卷曲度不同的碳纳米管，这种表面化学上微妙的不同会对碳纳米管的浮力产生细微的影响。研究人员利用这个不同点，在超高速离心机的帮助下，将碳纳米管分成了手性相同的许多组。
赫斯曼的团队是在2006年底开始分离半导体和金属性碳纳米管的，之后立即就有几十至上百名研究者打来电话请求提供样品，赫斯曼说。“几个月内，我们就筹集到了开公司的钱。”这个名叫NanoIntegris的公司于2012年被加拿大单壁碳纳米管制造商Raymor Industries收购。在其他研究团队开发不同的分离方法期间，赫斯曼说Nanointegris公司在碳纳米管分离市场上处于实质性的垄断地位。
这家公司提纯过的碳纳米管最近的售价为每毫克几百美元，但赫斯曼说高科技设备只需要价值1美元的碳纳米管就够用了。
那么这些高科技应用到底是哪方面的？“我仍然沉溺于要找到碳纳米管的杀手级应用，”赫斯曼对《化学化工新闻》记者说，“我觉得电子设备方面是最可能的。可印刷、可穿戴、可弯曲的电子设备。”
继续还是放弃
单壁碳纳米管变得越来越容易获得。比如，一家新成立的公司OCSiAl通过一项对等筹款程序向各研究计划提供了共计1吨的碳纳米管产品。此外，提纯方法也在发展，可控碳纳米管的合成似乎也有了眉目。碳纳米管处于稳步爬升的光明期，向前展望并预测将会出现的事物是很诱人的。但碳纳米管的研究人员们更了解内情。
“去信誓旦旦地预测5年之后的技术会怎样的做法是很愚蠢的，”乔治·S·图列夫斯基说，他是IBM的一位化学家，目前正在尝试制造性能超过硅电子设备的碳纳米管晶体管。虽然这听起来好像碳纳米管炒作又要重来了，但是图列夫斯基还是抱有谨慎乐观的态度。
现在与15年前不同的是，每个人都清楚地知道他们需要超越硅，但硅工业不会坐以待毙。“没有人会等待碳纳米管赶上来，”图列夫斯基说，“硅也在以自己的节奏前进。”
但相对于硅，碳纳米管有着与生俱来的尺寸优势。硅晶体管元件是从整体的硅上刻下来的，这种自上而下的方法获得的硅晶体管尺寸小到一定程度就是极限了，这样就会使迄今为止都未间断的晶体管和计算机技术微型化趋势停止。但是研究人员们能轻易地制造出尺寸是目前最小的硅元件的几分之一的碳纳米管。
对于IBM来说，这一优点就让碳纳米管值得探索，但IBM并没有把鸡蛋都放在碳纳米管这一个篮子里。该公司正要投资30亿美元于高级计算机技术，包括量子和神经形态计算。
没人能保证碳纳米管晶体管能替代硅技术，甚至它们是否需要代替硅也不好说。图列夫斯基清楚地知道这些，但是他说在尝试制造碳纳米管处理器的过程中有许多可以学习的东西。
“我认为现在是研究碳纳米管最有趣的时期，”他说。他提到碳纳米管领域的炒作在发展到能够容易地得到纯的单壁碳纳米管的程度之前就偃旗息鼓了，这是不幸的。“但是没有炒作的话，我们什么结果都得不到，”他说，“你需要那种初始的爆发式的人力、财力和能量的投入。”
回到莱斯大学，在碳纳米管刚进入现代世界的时候就已经参与研究的阿加延承认，他仍然认为碳纳米管替代硅是一个遥不可及的概念。他同意图列夫斯基炒作帮助了这个领域发展的观点，但是炒作也伤害了这个领域。
但不论炒作是好是坏，他说，都是不可避免的。类似的炒作现在正在石墨烯和其他2-D材料上发生，也将会在以后出现的任何材料上发生。
“这是事物的本质，”在挂断电话之前阿加延对《化学化工新闻》记者说。“可能理解这个概念将会是碳纳米管的革命。”
【译者注】比强度指材料的强度（断裂时单位面积所受的力）除以其密度
（本文原载《化学化工新闻》）
[美]马特·戴文波特/文 雯熙她爸/译
