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1、纳米会唱歌碳纳米管收音机的研究与应用摘要：通过对传统收音机和新发明的碳纳米管收音机的比较，以及碳纳米管 研究的大背景的描述，了解碳纳米管收音机的原理和工作过程，并对其发展与应 用前景加以预测。无线电广播中的电磁波会撞击纳米管，使碳纳米管随着电磁信 号的振动而发生机械振动。既然纳米管能与入射的无线电波共振，它就能起到天 线的作用。把这根纳米天线与外围电路接通，我们便可以操纵它完成选台、放大, 与解调，最终使我们能听到电台信号。关键词：碳纳米管收音机0 .前言每年，美国技术评论杂志都会评出前一年度的10大新兴技术，并预计 这些技术将在未来几年对我们的生活和社会产生重大影响。2008年评选出的这 些
2、即将走出实验室、迈向实践的10大新兴技术涵盖了能源、计算机硬件和软件 以及生物成像等领域。其中，碳纳米管收音机被公认为是碳纳米管在微波领域中 应用的一项成功范例，是一项了不起的工程壮举。碳纳米管收音机是美国加利福 尼亚大学们克利分校的物理学家亚历克斯泽托(Alex Zettl)及其同事于2007 年研制的。这是迄今为止世界上最小的收音机：它的核心部分由单一的碳纳米管 构成，人们加上电池和耳机就能用它收听到自己中意的广播节目。这种碳纳米管 收音机比人类首批商业化的收音机要小1000亿倍。1. 研究背景尽管谁先发现纳米管仍具争议，但纳米管能在科学界大出风头，应归功于日 本物理学家饭岛澄男(Sumi
3、oTij ima) 0 1991年，饭岛教授宣布，他在发出电弧(即 放电所形成的明亮弧状闪光)的石墨电极顶端发现了一些“针状碳管”。这些纳 米管的特性令人称奇。它们大小相差悬殊，形状多种多样，包括单壁管、双壁管 和多壁管等。其中有的直，有的弯，有的甚至首尾相接形成环，就像个面包圈。 其中单壁碳纳米管还具有优异的导电性能，不但大大超过铜、银等金属，甚至还 超过了超导体。“这是因为电了在纳米管中移动时不会撞上任何东西，”泽托 解释说，“纳米管的结构简直是太完美了。”泽托决定要打造一种能够通过无线方式彼此联系，并能无线发送探测结果的 微型传感器,纳米收音机的创意由此产生。泽托希望发明一种纳米管质量传
4、感器, 并在以此为目标的实验中，他的研究生肯尼思詹森(Kenneth Jensen)发现，如 果将碳纳米管一端固定于某一表而，形成一根悬臂梁，当一个分子落在悬臂梁的 自由端时，悬臂梁就会振动。分子质量不同，振动频率也就不同。泽托注意到， 这些振动频率覆盖了某些商业无线电频段，于是把这种悬臂式纳米管做成收音机 的构想就变得再诱人不过了。2. 设计方案及原理泽托知道，i台收音机至少有四个基本部件：天线，用来接收电磁波信号； 调谐器，从所有正在广播的频道中选择想要收听的频道；放大器，用于增强信号; 解调器，将信号中的有效信息从携带信息的载波中分离出来；有效信息被传送到 外接扬声器上，由扬声器将这部分
5、信号转换成可以听得到的声音。I调谐胡放大群解谓器 I 喇叭图1.传统收音机原理碳纳米管注定会成为这种收音机的核心器件，它集优秀的化学特性、儿何特 性及电气特性于一身。只要把这个微型装置放在一组电极之间，便能同时具备 上述四种功能，而无需其他部件。泽托和詹森首先制定了一个总体设计方案。此方案要求在电极末端做出一根 多壁碳纳米管，就好像是插在山顶上的旗杆。之所以选用多壁管，是因为它比其 他碳纳米管略大，而且更易安置在电极表面，不过后来他们也曾用单壁碳纳米 管制作出一台纳米收音机。这种多壁管长约500纳米，直径10纳米，大小与形 状都同某些病毒差不多。它可以通过纳米操控技术安置在电极上，或者通过所谓
6、 化学气相沉积法直接在电极上生长出来。电极头圆圆的，就像半个巴基球(buckyball),不远处有-个反电极。在这 两个电极间施加一个很小的直流电压，便会产生一股从纳米管端头流向反电极的 电子流。这个发明的想法就是，无线电广播中的电磁波会撞击纳米管，使碳纳米 管随着电磁信号的振动而发生机械振动。既然纳米管能与入射的无线电波共振， 它就能起到天线的作用，当然这种天线的工作原理与传统收音机天线不同。把这 根纳米天线与外围电路接通，我们便可以操纵它完成选台、放大，将音频成分同 无线电波的其他成分分离开来(解调)，最终使我们能听到电台信号。普通收音机的天线通过电磁效应接收信号，也就是说，电磁波在天线内
7、产生 感应电流，但天线本身始终静止不动。而在纳米收音机中，纳米管是一个极其纤 细、轻巧的带电物体，入射的电磁波足以推动它机械地来回运动。“纳米世界神 奇无比，与宏观世界大不一样，”泽托指出，“纳米器件体积极小，以致重力 和惯性效应影响甚微，反倒是残余电场对这些小玩意儿起主要作用。”纳米管 的振动会改变从纳米管端头流向反电极的电流一用专业术语说就叫做场致发 射电流。场致发射(field-emission)是一种量子力学现象，也就是一个较小的 外加电压可以引发一个物体(如针尖)的表而发射出一股较大的电子流。基于场致 发射的工作原理，人们不仅期望纳米管能充当天线，还希望它能完成信号放大任 务。入射到
8、纳米管的微量电磁波将使纳米管振动着的自由端释放出股较大的电 子流。这股电子流将放大入射信号。下一步就是解调(demodulation),也就是把声音或音乐等有用信息从无线电 台发射的载波中提取出来。在调幅(ampl i tudemodulat ion, AM)无线电广播中， 这种分离是靠整流滤波电路来实现的，这种电路只对载波信号的振幅有反应，对 频率则完全无视。泽托的团队推想，纳米管收音机也可以实现这一功能：当纳米 管随着载波频率发生机械振动时，它同样也会响应载波中编码的信息成分。说来 也巧，整流正好就是量子力学场致发射与生俱来的一项特质。这就意味着，从纳 米管流出来的电流仅随信匕中的编码成分
9、(即被调制的信息成分)而变，载波则 被拒之于门外了。这一功能的实现不需要任何额外电路。简单地说，电磁信号到来时会引起纳米管的振动，纳米管在这一过程中起着 天线的作用。纳米管振动端将信号放大，同时依靠内建整流装置的场致发射特 性使载波与信息成分分离。然后反电极将探测到场致发射电流的变化，并把歌曲 或新闻等广播内容传送到扬声器，由扬声器把信号转变为声波。环球科学无线电波无线电波的检测。纳米尺度的天线与快速振森代 线电信号以同一频率振动，从图2.碳纳米管收音机结构与原理3. 欣赏纳米收音机碳纳米管产生的振动就像吉他弦产牛的振动一样。当吉他被演奏者弹奏时， 吉他弦就会发出特定的音符。如果你拉紧或放松一
10、下弦，就会使弹奏的音符变高 或变低。刚开始，一根又长又薄的纳米管静止出现在毫无特点的颗粒状背景上。 纳米管从岩石般的不规则表面上沿水平方向伸出，旁边则是根较短的纳米管。 整个过程中，无论出现什么电磁波，都不会对短纳米管产生任何影响(短纳米管之所以会对广播“充耳不闻”，是因为纳米管的共振频率与长度有关。这根短管 的共振频率与入射的无线电波的并不一致）。很快，你将听到一阵静电噪声，紧 接着那根长纳米管就开始振动，消失在一片疯狂闪动的模糊光影中，播放的那首 歌曲则透过背景噪声传入你的耳内，虽然有点朦胧，但仍可分辨它听起来就 像来自海王星的广播。事实匕这是纳米管内数都数得清楚的i群碳原了“随歌 起舞”
11、，向你发出的报告。On resonance宅图4.碳纳米管收音机接收无线信号全过程显微图4. 应用前景这种新技术具有很大的技术潜力和市场潜力。如纳米收音机等可以被内置在 电子表、手机、MP3、PS等电子设备中，其所占的体积、功率和功耗极小。可以 设想，今后的高级电子设备的微型化，将大大超越007等特工们的想象。在同样4的空间和能源条件下，我们就能使用更多的电器设备。泽托教授称，虽然目前 纳米收音机还只是设定成无线电接收器，但它也可把纳米管外接一个信源和一套 天线系统，将其改变成无线电发射器。如此微小的发射器可应用在安全保卫、车 辆和物流管理、人员跟踪、信息传递等方面。泽托教授还说，纳米收音机将
12、具有广泛的应用途径，比如，附在微型化学传 感器上的纳米无线装置，可植入患有糖尿病或其他疾病的病人血管内。如果传感 器探测到一种不正常的胰岛素水平或其他一些目标化合物，发射器可将相关信息 传送给一个探测器，或者状至可能是一个可释放胰岛素或其他治疗药物的植入式 胶囊。他指出，这种收音机或许能催生一系列全新的应用，比如可以完全放进耳 道的助听器、手机和iPod等等。泽托教授宣称，纳米收音机将“轻松嵌入一个 活细胞。到时候，制造一个与大脑或肌肉功能接口的装置，或者能用无线电控制 在血管中游动的器件将不再是梦想”。另一方面，结合绿色环保的太阳能电池和 燃料电池，电器设备将无需传统的干电池、碱性电池等单位
13、能源密度低、功率小 和回收困难、严重污染环境的能源了。这不但能大大减少相关设备的体积，而II. 还能最大程度地延长设备的工作时间，降低对环境的污染，对于创建资源节药型 和绿色经济的社会来说，是非常理想的新型技术。如上应用表明，纳米收音机的 应用前景非常广阔。参考资料：1 . K. Jensen, J. Weldon, li. Garcia, and A. Zettl. Nanotube Radioj. American Chemical Society. 10/31/2007.沈海军. lingd. net/article-2264271-1. html. 2009-03-202 .杨先碧.世界上最小的收音机.知识就是力量.2008, (9).文录节.纳米收音机.技术与市场(上半月).2008, (5)
