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中国科学家成功制备出世界最长碳纳米管

发布时间：2013/8/12 0:10:36

“若在地球与月亮之间搭建一座天梯，跨越如此长的距离而不被自身重量拉断的材料，只有碳纳米管。”《科学美国人》曾如此描述这一科学梦想。

　　梦想成真的前提是，批量制备出具有宏观长度、并且具有理论力学性质的碳纳米管，单根长度达到米级甚至公里级以上。

　　如今，这座天梯已能搭建有半米之长。日前，清华大学化工系教授魏飞带领的化工系与微纳米力学中心联合研究团队成功制备出世界上*长的、单根长度达半米以上的碳纳米管，这也是目前所有一维纳米材料长度的*高值。

　　魏飞说：“我们所制备的碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度。这项工作将为太空天梯的制备开启一线曙光。”

　迈出了坚实一步

　　通俗地说，碳纳米管就是一种半径极其微小的管子，这种管子的材料和日常生活中人们熟悉的钻石、石墨一样，都是碳原子。

　　碳纳米管的管径只有纳米尺度，把几万根碳纳米管并列排在一起，也只有一根头发丝那么粗。而它的长度则可以达到厘米以上，超过其自身宽度的1亿倍。

　　魏飞介绍，要在现实中获得具有宏观长度的碳纳米管十分困难。碳纳米管于1991年被发现，而在魏飞团队取得这项成果之前，人们还没有见过超过20厘米长的单根碳纳米管。所以，将半米长的碳纳米管称为“超长”，毫不夸张。

　　碳纳米管的应用前景十分广阔，超长碳纳米管与短纳米管相比，由于手性结构在宏观长度上一致，电学特性和力学性能显得特别优异。

　　就电学性能而言，碳纳米管的半导体性使其可以代替硅，用来生产芯片、导电薄膜、晶体管、传感器等，成为构筑下一代微米和纳米电子器件的理想材料。

　　就力学性能而言，碳纳米管是迄今发现的力学性能*好的材料之一，强度超过钢铁数百倍，能够用来制作超强纤维、防弹衣、新一代大飞机骨架乃至太空天梯。

　　超长碳纳米管的制备成功，使这些诱人的技术应用看到了实实在在的实用化前景。用半米长的碳纳米管，可制成500万个纳米电子器件。人类向着制作类似“天梯”这样更复杂、更大规模的碳纳米管应用材料迈出了坚实一步。

　　突破关键性技术

　　碳纳米管的生长是一个非常苛刻的过程，一旦催化剂的活性改变或消失，碳纳米管的生长就随之中断。而在以往的实验中，催化剂失活又是经常发生且无法避免的。因而，魏飞团队面临的关键难题在于，怎样才能让碳纳米管尽可能长久地持续生长，以达到人们希望的长度呢？

　　魏飞介绍，经过反复实验分析，他们提出了用高分子领域的舒尔茨-弗洛里(Schulz-Flory)分布机理来描述碳纳米管生长机理这一全新的创见。根据这一理论，在超长碳纳米管生长过程中，催化剂逐渐失去活性是一个不可逆的规律，而科学家应该专注于充分改善制备工艺，尽可能减缓催化剂失活的趋势和速度。也就是说，要想制备出更长的碳纳米管，*途径在于全力提高催化剂活性概率。

　　魏飞打了一个浅显的比方。人的衰老和死亡是一个不可违背的自然规律。为了活得更长久，人类不是探求长生不老的秘方，而是通过改善医疗技术和生活条件等手段，减缓衰老、延长寿命。

　　得到了这一正确方向后，魏飞团队充分发挥材料制备和化工技术学科交叉的优势，在制造设备、制备工艺等方面进行了大量改进和创新。比如，他们创造性地设计出“移动恒温区法”来摆脱管式炉长度的限制。*终，他们将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性提高到了99.5%以上。这意味着，在制备半米长的碳纳米管的过程中，魏飞团队能够保证200亿个碳原子没有一个使催化剂失活。

　　这一关键性技术突破，实现了制备超长碳纳米管的方法论创新，也为批量制备具有宏观长度和密度的超长碳纳米管提供了理论指导。

　　这项惊人的成绩，是依靠3年多的艰辛科研取得的。魏飞团队曾连续两个月通宵达旦做实验，却依然没有得到理想的结果。超长碳纳米管的生长窗口非常狭窄，经常发生碳纳米管停止生长的现象，很多时候反复实验一两个月都不能使之恢复到*佳生长状况。失败是成功之母，总结分析成千上万个实验数据，终于给科学家带来了突破性的发现。

　　还有很长路要走

　　世界*长碳纳米管的成功制备，显示我国在碳纳米管研究领域继续保持国际*地位。此前，我国科学家在世界上*早制备了碳纳米管阵列、可纺丝碳纳米管，率先实现碳纳米管的大批量生产。20厘米长的碳纳米管，也是由魏飞团队在2010年首先制备成功的。

　　与此同时，一场以碳纳米管为主角的材料革新正在全球范围展开。各国科学家们都看到了碳纳米管中蕴含的无限创新可能。

　　英国剑桥大学的科学家们近日宣布他们开发出一种由碳纳米管组成的导线，有望在未来取代铜导线。这种新型导线强度是铜线的30倍，而重量不到铜线的十分之一。这种特性，使得纯碳纳米管导线具有极强的竞争力。对于宇航器、机器人、大型客机等装备，铜导线的重量占比都十分可观，如果能全部换成碳导线，这些庞然大物将比现在轻上数倍，其性能和功效将发生超乎人们想象的巨变。同时，碳纳米管导线在高温下的表现也更好，能大幅延长设备和线路的寿命，降低运营和维护成本。

　　日本科学家和美国科学家则合成了带有卷曲特质的碳纳米分子。这种新材料的碳分子之间存在大量的微小空间，使其易溶解于乙醇等有机溶剂中。人们可以利用“弯曲纳米石墨烯”的这一特性生产新型电子基板，从而制造更先进的太阳能电池和电子元件等。如果用紫外线照射溶有这种新型碳纳米分子的溶液，它还会发出绿色的荧光，这使其在生物成像领域也找到了用武之地。

　　类似这样的报道还在不断涌现。不论是化身轻型、高效的电池，还是成为生产轻型飞机和超强防弹衣的材料，碳纳米管已经进入了人类生活的诸多领域，这种极富韧性又轻盈无比的材料将给人们带来更多惊喜。

　　虽然有上述进步，实现人类制造天梯的梦想还是有相当的距离，这不仅是单根超长碳纳米管强度要达到理论预测值，更要求解决数亿根超长碳纳米管组成的天梯同样达到这一性能的难题。日前美国国家航空航天局提出了超强材料挑战竞赛，要求制做一根绳子，使其强度达到并超过目前商用强度50%的性能，并给出了200万美元的奖金，但至今未能有研究小组实现。虽然目前我们在纳米直径材料及半米级长度上实现了性能突破，但在宏观上实现超强材料还有很长的路要走，目前的成果仅是一小步。