中國科學家成功制備出世界*長碳納米管

“若在地球與月亮之間搭建一座天梯，跨越如此長的距離而不被自身重量拉斷的材料，只有碳納米管�！薄犊茖W美國人》曾如此描述這一科學夢想。

　　夢想成真的前提是，批量制備出具有宏觀長度、并且具有理論力學性質的碳納米管，單根長度達到米級甚至公里級以上。

　　如今，這座天梯已能搭建有半米之長。日前，清華大學化工系教授魏飛帶領的化工系與微納米力學中心聯合研究團隊成功制備出世界上*長的、單根長度達半米以上的碳納米管，這也是目前所有一維納米材料長度的*高值。

　　魏飛說：“我們所制備的碳納米管具有*的結構、優(yōu)異的力學性能和宏觀的長度。這項工作將為太空天梯的制備開啟一線曙光。”

　邁出了堅實一步

　　通俗地說，碳納米管就是一種半徑極其微小的管子，這種管子的材料和日常生活中人們熟悉的鉆石、石墨一樣，都是碳原子。

　　碳納米管的管徑只有納米尺度，把幾萬根碳納米管并列排在一起，也只有一根頭發(fā)絲那么粗。而它的長度則可以達到厘米以上，超過其自身寬度的1億倍。

　　魏飛介紹，要在現實中獲得具有宏觀長度的碳納米管十分困難。碳納米管于1991年被發(fā)現，而在魏飛團隊取得這項成果之前，人們還沒有見過超過20厘米長的單根碳納米管。所以，將半米長的碳納米管稱為“超長”，毫不夸張。

　　碳納米管的應用前景十分廣闊，超長碳納米管與短納米管相比，由于手性結構在宏觀長度上一致，電學特性和力學性能顯得特別優(yōu)異。

　　就電學性能而言，碳納米管的半導體性使其可以代替硅，用來生產芯片、導電薄膜、晶體管、傳感器等，成為構筑下一代微米和納米電子器件的理想材料。

　　就力學性能而言，碳納米管是迄今發(fā)現的力學性能*好的材料之一，強度超過鋼鐵數百倍，能夠用來制作超強纖維、防彈衣、新一代大飛機骨架乃至太空天梯。

　　超長碳納米管的制備成功，使這些誘人的技術應用看到了實實在在的實用化前景。用半米長的碳納米管，可制成500萬個納米電子器件。人類向著制作類似“天梯”這樣更復雜、更大規(guī)模的碳納米管應用材料邁出了堅實一步。

　　突破關鍵性技術

　　碳納米管的生長是一個非�？量痰倪^程，一旦催化劑的活性改變或消失，碳納米管的生長就隨之中斷。而在以往的實驗中，催化劑失活又是經常發(fā)生且無法避免的。因而，魏飛團隊面臨的關鍵難題在于，怎樣才能讓碳納米管盡可能長久地持續(xù)生長，以達到人們希望的長度呢？

　　魏飛介紹，經過反復實驗分析，他們提出了用高分子領域的舒爾茨-弗洛里(Schulz-Flory)分布機理來描述碳納米管生長機理這一全新的創(chuàng)見。根據這一理論，在超長碳納米管生長過程中，催化劑逐漸失去活性是一個不可逆的規(guī)律，而科學家應該專注于充分改善制備工藝，盡可能減緩催化劑失活的趨勢和速度。也就是說，要想制備出更長的碳納米管，*途徑在于全力提高催化劑活性概率。

　　魏飛打了一個淺顯的比方。人的衰老和死亡是一個不可違背的自然規(guī)律。為了活得更長久，人類不是探求長生不老的秘方，而是通過改善醫(yī)療技術和生活條件等手段，減緩衰老、延長壽命。

　　得到了這一正確方向后，魏飛團隊充分發(fā)揮材料制備和化工技術學科交叉的優(yōu)勢，在制造設備、制備工藝等方面進行了大量改進和創(chuàng)新。比如，他們創(chuàng)造性地設計出“移動恒溫區(qū)法”來擺脫管式爐長度的限制。*終，他們將生長每毫米長度碳納米管的催化劑活性提高到了99.5%以上。這意味著，在制備半米長的碳納米管的過程中，魏飛團隊能夠保證200億個碳原子沒有一個使催化劑失活。

　　這一關鍵性技術突破，實現了制備超長碳納米管的方法論創(chuàng)新，也為批量制備具有宏觀長度和密度的超長碳納米管提供了理論指導。

　　這項驚人的成績，是依靠3年多的艱辛科研取得的。魏飛團隊曾連續(xù)兩個月通宵達旦做實驗，卻依然沒有得到理想的結果。超長碳納米管的生長窗口非常狹窄，經常發(fā)生碳納米管停止生長的現象，很多時候反復實驗一兩個月都不能使之恢復到*佳生長狀況。失敗是成功之母，總結分析成千上萬個實驗數據，終于給科學家?guī)�來了突破性的發(fā)現。

　　還有很長路要走

　　世界*長碳納米管的成功制備，顯示我國在碳納米管研究領域繼續(xù)保持國際*地位。此前，我國科學家在世界上*早制備了碳納米管陣列、可紡絲碳納米管，率先實現碳納米管的大批量生產。20厘米長的碳納米管，也是由魏飛團隊在2010年首先制備成功的。

　　與此同時，一場以碳納米管為主角的材料革新正在全球范圍展開。各國科學家們都看到了碳納米管中蘊含的無限創(chuàng)新可能。

　　英國劍橋大學的科學家們近日宣布他們開發(fā)出一種由碳納米管組成的導線，有望在未來取代銅導線。這種新型導線強度是銅線的30倍，而重量不到銅線的十分之一。這種特性，使得純碳納米管導線具有極強的競爭力。對于宇航器、機器人、大型客機等裝備，銅導線的重量占比都十分可觀，如果能全部換成碳導線，這些龐然大物將比現在輕上數倍，其性能和功效將發(fā)生超乎人們想象的巨變。同時，碳納米管導線在高溫下的表現也更好，能大幅延長設備和線路的壽命，降低運營和維護成本。

　　日本科學家和美國科學家則合成了帶有卷曲特質的碳納米分子。這種新材料的碳分子之間存在大量的微小空間，使其易溶解于乙醇等有機溶劑中。人們可以利用“彎曲納米石墨烯”的這一特性生產新型電子基板，從而制造更先進的太陽能電池和電子元件等。如果用紫外線照射溶有這種新型碳納米分子的溶液，它還會發(fā)出綠色的熒光，這使其在生物成像領域也找到了用武之地。

　　類似這樣的報道還在不斷涌現。不論是化身輕型、高效的電池，還是成為生產輕型飛機和超強防彈衣的材料，碳納米管已經進入了人類生活的諸多領域，這種極富韌性又輕盈無比的材料將給人們帶來更多驚喜。

　　雖然有上述進步，實現人類制造天梯的夢想還是有相當的距離，這不僅是單根超長碳納米管強度要達到理論預測值，更要求解決數億根超長碳納米管組成的天梯同樣達到這一性能的難題。日前美國國家航空航天局提出了超強材料挑戰(zhàn)競賽，要求制做一根繩子，使其強度達到并超過目前商用強度50%的性能，并給出了200萬美元的獎金，但至今未能有研究小組實現。雖然目前我們在納米直徑材料及半米級長度上實現了性能突破，但在宏觀上實現超強材料還有很長的路要走，目前的成果僅是一小步。