具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性強(qiáng)等特點(diǎn)的碳納米管有助于提高能源效率。人們對(duì)于碳納米管在超低功耗計(jì)算機(jī)和超輕量材料等領(lǐng)域的應(yīng)用寄予厚望。

2014年2月，日本各地降下了創(chuàng)紀(jì)錄的大雪，交通事故和農(nóng)作物受災(zāi)的消息不斷涌出，但鮮為人知的是，大規(guī)模光伏電站也受到了沉重打擊。

因?yàn)榉e雪遮擋陽(yáng)光，太陽(yáng)能電池板無(wú)法發(fā)電的情況頻發(fā)。而且，因?yàn)榧芘_(tái)無(wú)法支撐雪的重量，致使電池板傾倒或脫落等意外也接連不斷。

保護(hù)太陽(yáng)能電池不受大雪侵害的“布”

可樂(lè)麗生活材料公司（大阪市）利用碳納米管（CNT）開發(fā)出了可解決這一問(wèn)題的產(chǎn)品。

這種產(chǎn)品的名稱是“布加熱器”（下圖）。乍看上去就是一塊普通的布，但把手靠近其表面，會(huì)感到一絲絲的溫?zé)?。其?shí)，整塊布都在發(fā)熱。
 

可樂(lè)麗生活材料開發(fā)的布加熱器整體均勻發(fā)熱（左）。 通過(guò)在山形縣安裝到太陽(yáng)能電池板上進(jìn)行融雪實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了收益性（右）

CNT具有導(dǎo)電性。把CNT均勻溶解在液態(tài)塑料中，將聚酯紗線浸泡在其中進(jìn)行涂層加工。這樣制成的紗線叫作“CNTEC”，將其作為緯線，將通常的聚酯纖維作為經(jīng)線，織成的布料即為“布加熱器”。在CNTEC的兩端安裝電極并接通電源，其中就會(huì)有電流通過(guò)，在電阻的作用下會(huì)產(chǎn)生熱量。因?yàn)槊織l紗線都在發(fā)熱，所以整塊布會(huì)均勻加熱。

電熱毯和道路融雪等常用的鎳鉻合金絲是只有S形布線發(fā)熱。想要實(shí)現(xiàn)整個(gè)面均勻加熱，就要消耗大量的電能。而使用CNTEC的布加熱器能夠?qū)崿F(xiàn)大面積均勻加熱，可使耗電量減少2～3成。

如果為太陽(yáng)能電池板配備這種布加熱器，就可以防范雪災(zāi)。不過(guò)，即使這種方法能夠融雪，但如果耗電量太大就不劃算了。為此，可樂(lè)麗生活材料公司制作了試制系統(tǒng)，在山形縣多次進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。關(guān)于試驗(yàn)結(jié)果，該公司社長(zhǎng)鳥生雅夫介紹說(shuō)：“與融雪使用的電能相比，清除積雪后增加的發(fā)電量更多，有足夠的經(jīng)濟(jì)性。”

可樂(lè)麗生活材料公司計(jì)劃在10月前后開始銷售CNTEC，今后還將繼續(xù)探索新用途，例如用于道路和房頂?shù)墓?jié)能型融雪系統(tǒng)、電熱毯等。

CNT是名城大學(xué)教授飯島澄男于1991年在全世界首先發(fā)現(xiàn)的。雖然CNT與其他材料相比特性超群，但應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)的技術(shù)難度高，一直沒(méi)有突破“夢(mèng)幻新材料”的領(lǐng)域走向?qū)嵱?。不過(guò)，時(shí)至今日，隨著實(shí)用化相關(guān)技術(shù)的大幅進(jìn)步，CNT正在逐漸改變我們的生活。

CNT的電特性（易通電等）、機(jī)械特性（強(qiáng)度等）、熱傳導(dǎo)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他材料。使用加入了CNT的復(fù)合材料，可以在廣泛的領(lǐng)域開發(fā)出新型節(jié)能且多功能的設(shè)備。

CNT有只有一層管的單層CNT和有多層管的多層CNT之分。多層CNT比較容易生產(chǎn)，昭和電工等企業(yè)已經(jīng)開始量產(chǎn)。前面提到的可樂(lè)麗生活材料公司使用的也是多層CNT。

而單層CNT雖然量產(chǎn)困難，但與多層CNT相比，特性明顯高出一籌。

舉例來(lái)說(shuō)，住友精密工業(yè)正準(zhǔn)備開發(fā)利用鋁和單層CNT合成的復(fù)合材料，計(jì)劃將其用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)油壓設(shè)備上安裝的熱交換器（下圖）。CNT的傳熱性好，散熱性是普通鋁的4倍。因此可以制造出輕巧、小型的熱交換器，提高飛機(jī)的燃效。
 

2013年7月，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）與單層CNT融合新材料研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（產(chǎn)綜研）開發(fā)出了由單層CNT和銅組成的復(fù)合材料。這種材料實(shí)現(xiàn)了劃時(shí)代的性能，在電導(dǎo)率（易通電性）與銅相當(dāng)?shù)那疤嵯?，電流密度高達(dá)銅的100倍，而且還不會(huì)發(fā)生斷裂。只需銅線的百分之一的截面積，就能通過(guò)與銅等量的電流，而且，即使溫度升高，電阻也不易增加。如果將其應(yīng)用于純電動(dòng)汽車的馬達(dá)，可以大幅縮小馬達(dá)的體積和重量。

目標(biāo)是每克100日元


  

碳納米管的量產(chǎn)化也有了眉目。2013年12月，納米技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)——名城納米碳（名古屋市）利用產(chǎn)綜研開發(fā)的“eDIPS法”生產(chǎn)技術(shù)，建成了能夠以過(guò)去100倍的速度連續(xù)生產(chǎn)高品質(zhì)、高純度單層CNT的工廠。該公司是日本唯一一家能夠商業(yè)生產(chǎn)高品質(zhì)單層CNT的企業(yè)。這座工廠生產(chǎn)的單層CNT即將在2014年內(nèi)上市銷售。

但是，工廠一天的產(chǎn)量只有區(qū)區(qū)幾克，目前還是每克10萬(wàn)日元左右的天價(jià)。不過(guò)，名城納米碳的社長(zhǎng)橋本剛說(shuō)：“在成本中，人工費(fèi)占到了9成，我們希望通過(guò)擴(kuò)大規(guī)模、提高運(yùn)營(yíng)效率，使價(jià)格在2、3年內(nèi)降到每克1萬(wàn)日元。”
 

對(duì)于面積約為50平米的觸摸面板，制作其透明導(dǎo)電膜只需要使用1克的單層CNT。如果價(jià)格能夠降低到5萬(wàn)日元左右，就有望實(shí)現(xiàn)普及。

名城納米碳還計(jì)劃在5～10年后，實(shí)現(xiàn)每年10噸的量產(chǎn)規(guī)模，把價(jià)格降低到每克100日元。到那個(gè)時(shí)候，CNT還能開辟出電池添加劑這一新用途，能夠降低電池內(nèi)部的電阻，釋放出更多的電能。

電池在充放電時(shí)會(huì)反復(fù)膨脹和收縮，在這個(gè)過(guò)程中，材料會(huì)不斷劣化。而CNT基本不會(huì)伸縮，添加到材料中可以大幅延長(zhǎng)電池壽命。因?yàn)镃NT的生產(chǎn)要使用大量氫氣，因此名城納米碳還打算與化學(xué)廠商合作。

另外，最大限度發(fā)揮單層CNT本身特性的技術(shù)開發(fā)也在進(jìn)行之中。

在單層CNT的用途中，最被看好的是超節(jié)能的高性能計(jì)算機(jī)。單層CNT的電子活動(dòng)性是硅的10倍，只需極少的能量就能完成高速運(yùn)算處理。利用單層CNT可制造出超越硅的極限的集成電路。
 

單層CNT的課題——分離及精制技術(shù)也進(jìn)展顯著。在制造單層CNT時(shí)，金屬型CNT與半導(dǎo)體型CNT的比例為1:2。在這種混合狀態(tài)下，CNT無(wú)法發(fā)揮出原本的性能。

2013年12月，日本科研人員成功開發(fā)出了高效分離技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的原理是在圓柱形容器中填充凝膠，在其中注入單層CNT溶液后，留下的只有凝膠容易吸附的CNT，其他的全部順著容器流走。然后改變凝膠的pH值等條件，再次注入之前流走的溶液。通過(guò)重復(fù)這一過(guò)程，就可以使金屬型CNT和半導(dǎo)體型CNT以高純度分離。

通過(guò)為布線采用金屬型CNT，為晶體管采用半導(dǎo)體型CNT，可以制造出集成度超高、超高速、超低功耗的計(jì)算機(jī)。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還在進(jìn)行


作為一種環(huán)保材料，CNT也并非沒(méi)有弱點(diǎn)。有看法指出，大量吸入CNT后，有可能像石棉一樣，引發(fā)癌癥和間皮瘤等疾病。

具有極強(qiáng)的耐熱、耐化學(xué)性的石棉也曾是備受追捧的“夢(mèng)幻材料”。但是，因?yàn)樵趹?yīng)用于產(chǎn)業(yè)之前沒(méi)有充分檢驗(yàn)其有害性，這種材料引發(fā)了嚴(yán)重的健康危害。為了不重蹈覆轍，現(xiàn)在全世界的研究機(jī)構(gòu)都在開展CNT的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2011年，日本產(chǎn)綜研安全科學(xué)研究部門主任（現(xiàn)任研究員）中西準(zhǔn)子領(lǐng)導(dǎo)的NEDO項(xiàng)目組制作了CNT的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，報(bào)告提出，在工作環(huán)境下，CNT的容許暴露濃度為0.03mg/m³。目前，各企業(yè)都參考這個(gè)數(shù)字，自主實(shí)施安全管理。

產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)發(fā)出呼吁，希望國(guó)家明確風(fēng)險(xiǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)，制定相關(guān)法律。但CNT的形狀和硬度因目的和用途而異，有害性也差別巨大，很難一概而論。

為此，NEDO于2013年10月制定了“安全性試驗(yàn)流程規(guī)范”，作為企業(yè)在確認(rèn)其使用的CNT的安全性時(shí)遵循的方針。

根據(jù)這一規(guī)范，企業(yè)無(wú)需實(shí)施耗時(shí)漫長(zhǎng)、成本高昂的動(dòng)物試驗(yàn)，即可簡(jiǎn)單、快速地對(duì)呼吸系統(tǒng)受到的影響進(jìn)行評(píng)估，為評(píng)估形狀各異的CNT提供了條件，也將低了企業(yè)自主管理的難度。

東京大學(xué)特聘教授岸本充生解釋說(shuō)：“在大約5年前，大家對(duì)于CNT還覺(jué)得‘可怕、未知’。但隨著研究的推進(jìn)，大家逐漸形成了一致的意見(jiàn)，那就是通過(guò)控制長(zhǎng)度、硬度和表面狀態(tài)，CNT可以安全使用。”為了不讓這種“夢(mèng)幻材料”只是黃粱一夢(mèng)，對(duì)于CNT的安全，必須要有足夠的重視。（記者：吉岡 陽(yáng)，《日經(jīng)環(huán)?！罚?/p>