4.碳纳米管之一：富勒烯家族
左图为单壁纳米碳管的示意图。 右图为多壁碳管透射电子显微镜照片。管的头部为催化剂。最简单的单壁管可以理解为单层石墨蜷曲而成：一个碳原子和另外三个碳原子利用强力的共价键结合而成的六边形网。根据三种不同的卷曲方向也造就了单壁纳米碳管不同的手性，不同手性的碳管拥有从导体到半导体巨大的电学差异。目前一种比较常见的制备碳管的方法是用金属纳米颗粒作为催化剂，通过化学气相沉积的方法来生长碳管。右图中深色部位就是纳米碳管生长之后遗留在管顶部的金属催化剂。
碳是一种非常重要的元素。原子结构外层的四个电子，四个的空穴为其提供了无限的组合可能。一个很好的例子就是所有的有机体，这本身就是大自然对于碳和氢出神入化运用的杰作。多年以来，人类对于单质碳的存在形式（只有碳存在的物质），一直局限于金刚石和石墨。虽然都是由碳元素构造而成，但性质及用途决然不同的。这两种材料一直是"结构决定性质"这一材料学的基础观点最好的例证。同样都是只由碳元素构成，石墨由于柔然被制作成铅笔，金刚石则由于坚硬耐磨而成为爱情长久的象征。这其中的决定力量是原子排方式的差异造成的。金刚石是碳原子在空间构成连续坚固的骨结构，一个碳原子在空间上与其他四个碳原子相连；而石墨是碳原子呈平面的层状结构，一个碳原子在平面上与其他三个碳管子相连。石墨层间原子的距离较大，层与层之间的作用力相对较弱。也就是这个原因，石墨中还存在自由电子，所以石墨是导电的。不过有一点是需要澄清的，关于石墨"软"的陈述和解释都是建立在有多层原子的基础上。对于单层的石墨，这种六边形的碳网是很牢固的。
直到1985年英国科学家克罗托(H.W.Kroto)等在这一年用质谱仪，严格控制实验条件，得到以C60为主的质谱图，碳的第三种单质存在形式被发现。由于受建筑学家布克米尼斯特·富勒(Buckminster Fuller)设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托等提出C60是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形构成。碳六十，作为碳单质的第三种存在形式被发现。这一重大发现也获得了1996年诺贝尔化学奖。在C60分子中，每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子相连，剩余的未参加杂化的一个p轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面大∏键。这一结构类似于苯环，从而具有芳香性。为了纪念Fuller，他们提出用Buckminsterfullerene来命名C60，后来又将包括C60在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为Fuller，中译名为富勒烯。
那么C60的性质应该是像石墨还是像金刚石呢？单个的C60分子是很坚硬的，而且本身是所有已知分子中最圆的，这就是一种良好的分子级润滑剂或是研磨液。而且C60本身很大，足够将别的原子放入其中，因此导电性以及其他的物理性质可以通过这样的掺杂来改变。一个很好的例子就是掺钾之后的C60有超导性。
现在我们已经了解了这种足球状的碳存在形式，但这并不是全部。除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有C28、C32、C50、C70、C84……C240、C540等，统称为Fullerene。作为C60大家族中的一员，纳米碳管很快被发现。关于碳管发现的动人场景和卓越性能在已经上一集和大家一起分享过了。这里我们就着重探讨一下目前碳管的制备。
电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气等惰性气体的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000摄氏度。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有C60、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过添加催化剂和控制的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单壁碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。
考虑到电弧放电法的缺陷，近年来发展出了化学气相沉积法。这种方法是让气态烃（比如甲烷）混合氢气通过附着有催化剂微粒的基板，在800~1200摄氏度的条件下，气态烃可以被热分解并还原为碳，在催化剂上成核生并长出碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开容器，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。而且还很容易定向生长出碳管阵列。
到今天人们对碳管的制备技术的探索已经取得了很多重大进展。 比如一次次刷新了最长碳管的记录（上图A）；以及获得更大面积均匀的纳米阵列（上图B）。当获得了竖直向上生长的碳管阵列之后（也有文献把这样的结构叫做碳管森林），可以使用类似于纺纱的工艺从中收集出如左图所示的由碳管组成的微米级别的纤维。
还值得一提的是因为碳管总之在有催化剂的地方开始生长，如果可以控制催化剂的位置就可以进一步控制碳管的位置。左图就是利用光刻技术把催化剂按美国首位黑人总统奥巴马的头像分布在基板上，然后只需要通过化学气相沉积即可制作出"nanobama"。
下集预告：那些你所想到的或是没有想到的碳管运用
