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中國(guó)科學(xué)家成功制備出世界*長(zhǎng)碳納米管

發(fā)布日期：2013-8-12 來(lái)源:浙江科技新聞網(wǎng)

“若在地球與月亮之間搭建一座天梯，跨越如此長(zhǎng)的距離而不被自身重量拉斷的材料，只有碳納米管。”《科學(xué)美國(guó)人》曾如此描述這一科學(xué)夢(mèng)想。

　　夢(mèng)想成真的前提是，批量制備出具有宏觀長(zhǎng)度、并且具有理論力學(xué)性質(zhì)的碳納米管，單根長(zhǎng)度達(dá)到米級(jí)甚至公里級(jí)以上。

　　如今，這座天梯已能搭建有半米之長(zhǎng)。日前，清華大學(xué)化工系教授魏飛帶領(lǐng)的化工系與微納米力學(xué)中心聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成功制備出世界上*長(zhǎng)的、單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管，這也是目前所有一維納米材料長(zhǎng)度的*高值。

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

　邁出了堅(jiān)實(shí)一步

　　通俗地說(shuō)，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(wàn)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(zhǎng)度則可以達(dá)到厘米以上，超過(guò)其自身寬度的1億倍。

　　魏飛介紹，要在現(xiàn)實(shí)中獲得具有宏觀長(zhǎng)度的碳納米管十分困難。碳納米管于1991年被發(fā)現(xiàn)，而在魏飛團(tuán)隊(duì)取得這項(xiàng)成果之前，人們還沒(méi)有見過(guò)超過(guò)20厘米長(zhǎng)的單根碳納米管。所以，將半米長(zhǎng)的碳納米管稱為“超長(zhǎng)”，毫不夸張。

　　碳納米管的應(yīng)用前景十分廣闊，超長(zhǎng)碳納米管與短納米管相比，由于手性結(jié)構(gòu)在宏觀長(zhǎng)度上一致，電學(xué)特性和力學(xué)性能顯得特別優(yōu)異。

　　就電學(xué)性能而言，碳納米管的半導(dǎo)體性使其可以代替硅，用來(lái)生產(chǎn)芯片、導(dǎo)電薄膜、晶體管、傳感器等，成為構(gòu)筑下一代微米和納米電子器件的理想材料。

　　就力學(xué)性能而言，碳納米管是迄今發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能*好的材料之一，強(qiáng)度超過(guò)鋼鐵數(shù)百倍，能夠用來(lái)制作超強(qiáng)纖維、防彈衣、新一代大飛機(jī)骨架乃至太空天梯。

　　超長(zhǎng)碳納米管的制備成功，使這些誘人的技術(shù)應(yīng)用看到了實(shí)實(shí)在在的實(shí)用化前景。用半米長(zhǎng)的碳納米管，可制成500萬(wàn)個(gè)納米電子器件。人類向著制作類似“天梯”這樣更復(fù)雜、更大規(guī)模的碳納米管應(yīng)用材料邁出了堅(jiān)實(shí)一步。

　　突破關(guān)鍵性技術(shù)

　　碳納米管的生長(zhǎng)是一個(gè)非�？量痰倪^(guò)程，一旦催化劑的活性改變或消失，碳納米管的生長(zhǎng)就隨之中斷。而在以往的實(shí)驗(yàn)中，催化劑失活又是經(jīng)常發(fā)生且無(wú)法避免的。因而，魏飛團(tuán)隊(duì)面臨的關(guān)鍵難題在于，怎樣才能讓碳納米管盡可能長(zhǎng)久地持續(xù)生長(zhǎng)，以達(dá)到人們希望的長(zhǎng)度呢？

　　魏飛介紹，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)分析，他們提出了用高分子領(lǐng)域的舒爾茨-弗洛里(Schulz-Flory)分布機(jī)理來(lái)描述碳納米管生長(zhǎng)機(jī)理這一全新的創(chuàng)見。根據(jù)這一理論，在超長(zhǎng)碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程中，催化劑逐漸失去活性是一個(gè)不可逆的規(guī)律，而科學(xué)家應(yīng)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(shì)和速度。也就是說(shuō)，要想制備出更長(zhǎng)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(gè)淺顯的比方。人的衰老和死亡是一個(gè)不可違背的自然規(guī)律。為了活得更長(zhǎng)久，人類不是探求長(zhǎng)生不老的秘方，而是通過(guò)改善醫(yī)療技術(shù)和生活條件等手段，減緩衰老、延長(zhǎng)壽命。

　　得到了這一正確方向后，魏飛團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮材料制備和化工技術(shù)學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，在制造設(shè)備、制備工藝等方面進(jìn)行了大量改進(jìn)和創(chuàng)新。比如，他們創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出“移動(dòng)恒溫區(qū)法”來(lái)擺脫管式爐長(zhǎng)度的限制。*終，他們將生長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)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(zhǎng)的碳納米管的過(guò)程中，魏飛團(tuán)隊(duì)能夠保證200億個(gè)碳原子沒(méi)有一個(gè)使催化劑失活。

　　這一關(guān)鍵性技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了制備超長(zhǎng)碳納米管的方法論創(chuàng)新，也為批量制備具有宏觀長(zhǎng)度和密度的超長(zhǎng)碳納米管提供了理論指導(dǎo)。

　　這項(xiàng)驚人的成績(jī)，是依靠3年多的艱辛科研取得的。魏飛團(tuán)隊(duì)曾連續(xù)兩個(gè)月通宵達(dá)旦做實(shí)驗(yàn)，卻依然沒(méi)有得到理想的結(jié)果。超長(zhǎng)碳納米管的生長(zhǎng)窗口非常狹窄，經(jīng)常發(fā)生碳納米管停止生長(zhǎng)的現(xiàn)象，很多時(shí)候反復(fù)實(shí)驗(yàn)一兩個(gè)月都不能使之恢復(fù)到*佳生長(zhǎng)狀況。失敗是成功之母，總結(jié)分析成千上萬(wàn)個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，終于給科學(xué)家?guī)?lái)了突破性的發(fā)現(xiàn)。

　　還有很長(zhǎng)路要走

　　世界*長(zhǎng)碳納米管的成功制備，顯示我國(guó)在碳納米管研究領(lǐng)域繼續(xù)保持國(guó)際*地位。此前，我國(guó)科學(xué)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(shí)現(xiàn)碳納米管的大批量生產(chǎn)。20厘米長(zhǎng)的碳納米管，也是由魏飛團(tuán)隊(duì)在2010年首先制備成功的。

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

　　英國(guó)劍橋大學(xué)的科學(xué)家們近日宣布他們開發(fā)出一種由碳納米管組成的導(dǎo)線，有望在未來(lái)取代銅導(dǎo)線。這種新型導(dǎo)線強(qiáng)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(dǎo)線具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于宇航器、機(jī)器人、大型客機(jī)等裝備，銅導(dǎo)線的重量占比都十分可觀，如果能全部換成碳導(dǎo)線，這些龐然大物將比現(xiàn)在輕上數(shù)倍，其性能和功效將發(fā)生超乎人們想象的巨變。同時(shí)，碳納米管導(dǎo)線在高溫下的表現(xiàn)也更好，能大幅延長(zhǎng)設(shè)備和線路的壽命，降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

　　日本科學(xué)家和美國(guó)科學(xué)家則合成了帶有卷曲特質(zhì)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(jī)溶劑中。人們可以利用“彎曲納米石墨烯”的這一特性生產(chǎn)新型電子基板，從而制造更先進(jìn)的太陽(yáng)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(huì)發(fā)出綠色的熒光，這使其在生物成像領(lǐng)域也找到了用武之地。

　　類似這樣的報(bào)道還在不斷涌現(xiàn)。不論是化身輕型、高效的電池，還是成為生產(chǎn)輕型飛機(jī)和超強(qiáng)防彈衣的材料，碳納米管已經(jīng)進(jìn)入了人類生活的諸多領(lǐng)域，這種極富韌性又輕盈無(wú)比的材料將給人們帶來(lái)更多驚喜。

　　雖然有上述進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)人類制造天梯的夢(mèng)想還是有相當(dāng)?shù)木嚯x，這不僅是單根超長(zhǎng)碳納米管強(qiáng)度要達(dá)到理論預(yù)測(cè)值，更要求解決數(shù)億根超長(zhǎng)碳納米管組成的天梯同樣達(dá)到這一性能的難題。日前美國(guó)國(guó)家航空航天局提出了超強(qiáng)材料挑戰(zhàn)競(jìng)賽，要求制做一根繩子，使其強(qiáng)度達(dá)到并超過(guò)目前商用強(qiáng)度50%的性能，并給出了200萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金，但至今未能有研究小組實(shí)現(xiàn)。雖然目前我們?cè)诩{米直徑材料及半米級(jí)長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)了性能突破，但在宏觀上實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)材料還有很長(zhǎng)的路要走，目前的成果僅是一小步。