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在《三體》中，“納米飛刃”削切硬物于無形體現(xiàn)了碳納米管一個(gè)重要特性——輕質(zhì)高強(qiáng)。之所以這么細(xì)的碳納米管能有如此高的強(qiáng)度，主要是碳納米管由碳碳鍵組成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)完美連接，要想破壞掉碳納米管，就必須讓碳碳鍵發(fā)生斷裂，這需要提供很高的能量才能實(shí)現(xiàn)。

近日，由劉慈欣小說改編的電視劇《三體》收官，不過《三體》的熱度仍在延續(xù)。其中劇中有一種名為“納米飛刃”的納米材料，只有頭發(fā)絲的十分之一粗細(xì)，肉眼看不見，但卻可以切割鋼鐵和各種硬物，無堅(jiān)不摧。別看“納米飛刃”那么神奇，其實(shí)它的原型就是大名鼎鼎的碳納米管。

制備完美碳納米管條件嚴(yán)格

【資料圖】

被譽(yù)為“二十世紀(jì)最神奇的納米材料”之一的碳納米管是碳材料大家族中的一員。

“碳納米管就是管狀的納米級(jí)石墨晶體，分為單壁和多壁碳納米管。”天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院納米及復(fù)合材料研究所的沙軍威副教授解釋，碳原子以不同的排列方式形成各種材料，堆疊在一起就是石墨，剝離出來單層的二維材料就是石墨烯，而把石墨烯片層卷成管狀就是碳納米管。

“在《三體》中，‘納米飛刃’削切硬物于無形體現(xiàn)了碳納米管一個(gè)重要特性——輕質(zhì)高強(qiáng)。”沙軍威介紹，之所以這么細(xì)的碳納米管能有如此高的強(qiáng)度，主要是碳納米管由碳碳鍵組成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)完美連接，要想破壞掉碳納米管，就必須讓碳碳鍵發(fā)生斷裂，這需要提供很高的能量才能實(shí)現(xiàn)。

正因如此，碳納米管有著極高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長率。碳納米管的理論強(qiáng)度可以達(dá)到鋼鐵的100倍，同時(shí)碳納米管的密度又非常低，只有鋼的1/6。

“因此從理論上講，‘納米飛刃’是可以實(shí)現(xiàn)的。”沙軍威說，不過在現(xiàn)實(shí)中，要做出“納米飛刃”卻很難。

難度主要體現(xiàn)在哪些方面？以目前的工藝水平，很難制造出長程完美的原子排列結(jié)構(gòu)。“納米飛刃”直徑只有一納米，但是長度確有上百米，別說100米，就算是只有1米，和直徑相比，兩者之間也相差了9個(gè)數(shù)量級(jí)。相當(dāng)于一根1毫米粗的繩子要100萬米長。而且要保證繩子不斷，這就要求這100萬米沒有一個(gè)缺陷。

“目前在實(shí)驗(yàn)室制備碳納米管使用的是化學(xué)氣相沉積法。如果要獲得完美的碳納米管，需要有非常穩(wěn)定的氣流，不能有一點(diǎn)擾動(dòng)，這也是非常難的。”沙軍威表示，碳納米管在生長過程中，如果氣體流量或氣流方向出現(xiàn)些許變化，或者實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)的溫度稍有擾動(dòng)，都可能引入缺陷，甚至導(dǎo)致其停止生長。目前的報(bào)道中世界上最長的碳納米管是由清華大學(xué)魏飛教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)制備出的，其單根長度可以達(dá)到半米以上。

天生具有“基因”優(yōu)勢(shì)

除了輕質(zhì)高強(qiáng)的特性外，碳納米管還具有許多電學(xué)和化學(xué)等方面的優(yōu)勢(shì)性能，利用這些性能可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，因此碳納米管也具有和石墨烯一樣的良好導(dǎo)電性。“碳納米管的電阻和其長度、直徑無關(guān)，電子通過碳納米管時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱量加熱碳納米管。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號(hào)在光學(xué)纖維電纜中的傳輸一樣，能量損失微小，因此碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是一種優(yōu)異的導(dǎo)電添加劑。”沙軍威介紹，此外，碳納米管還可以應(yīng)用于透明導(dǎo)電薄膜、納米導(dǎo)線、電子器件的制作。

碳納米管強(qiáng)度高卻不脆。彎曲碳納米管或在軸向?qū)ζ涫┘訅毫r(shí)，即使外力超過歐拉強(qiáng)度極限或彎曲強(qiáng)度極限，碳納米管也不會(huì)斷裂，而是首先發(fā)生大角度彎曲，當(dāng)外力釋放后，碳納米管又會(huì)恢復(fù)原狀。同時(shí)，碳納米管化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性。因此碳納米管又被作為復(fù)合材料增強(qiáng)體添加到金屬、塑料、橡膠、水泥等中。

沙軍威介紹：“用碳納米管材料增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性好、耐腐蝕，可屏蔽無線電波；使用水泥做基體的碳納米管復(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對(duì)環(huán)境造成影響；碳納米管增強(qiáng)金屬復(fù)合材料強(qiáng)度高，可以實(shí)現(xiàn)很好的強(qiáng)度、韌性的匹配，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。”

碳納米管還具有良好的儲(chǔ)氫性能和優(yōu)越的嵌鋰特性。“由于碳納米管本身具有高比表面積，再經(jīng)過處理后具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫能力。”沙軍威介紹，此外，碳納米管的中空管腔、管與管之間的間隙、管壁中層與層之間的空隙及管結(jié)構(gòu)中的各種缺陷，為鋰離子提供了豐富的存儲(chǔ)空間和運(yùn)輸通道。所以碳納米管也被用于儲(chǔ)氫材料以及電池電極材料（電池、超電容、新型鋰電池等）。

“我們團(tuán)隊(duì)與美國萊斯大學(xué)詹姆斯·圖爾教授團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了液相催化劑法，實(shí)現(xiàn)了任意碳材料基體上碳納米管陣列的可控制備，并且在儲(chǔ)能材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。”沙軍威說。

此外，利用碳納米管表面缺陷增強(qiáng)的反應(yīng)活性，人們還可以把碳納米管應(yīng)用于光催化、電催化領(lǐng)域。南京東焱氫能源科技有限公司與南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作的一項(xiàng)研究，為碳納米管作為催化劑載體提供了一種可行思路。他們對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行表面氧化并引入硼元素，之后將其作為載體，成功制備了擁有高活性的鉑基催化劑。

未來應(yīng)用圍繞三大性能展開

碳納米管目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最多的是作為鋰離子電池的正極導(dǎo)電添加劑。碳納米管和石墨烯導(dǎo)電添加劑相較于傳統(tǒng)導(dǎo)電劑具有導(dǎo)電性能好、用量小的特點(diǎn)。

目前碳納米管在這個(gè)行業(yè)的滲透率，也已經(jīng)超過了20%。有業(yè)內(nèi)人士統(tǒng)計(jì)，超過90%的中高端數(shù)碼鋰電池廠家已將碳納米管作為導(dǎo)電添加劑用于電池生產(chǎn)，比如比亞迪、比克電池等。

據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，3年后碳納米管導(dǎo)電添加劑需求量將達(dá)到60萬噸，市場(chǎng)規(guī)模超過35億元，復(fù)合增長率超過40%。

“除了用于導(dǎo)電添加劑，未來碳納米管會(huì)在很多領(lǐng)域大有作為，不過其主要應(yīng)用離不開它最重要的三大性能。”沙軍威介紹，首先就是輕質(zhì)高強(qiáng)。像沙軍威所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)的碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料就可以應(yīng)用在火箭等航天器上。“對(duì)于制造航天器的材料來說，最重要的就是輕質(zhì)高強(qiáng)。鋁比目前應(yīng)用于航天器制造的鋼和鈦質(zhì)量輕很多，但是硬度和強(qiáng)度不夠，加入了碳納米管，就可以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)，發(fā)射成本會(huì)大幅下降。”沙軍威表示。

由于碳納米管具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，因此還可以把它添加到塑料、紡織材料中，美國萊斯大學(xué)研究人員就使用交織的碳納米管纖維制作了一件可以作為心率監(jiān)測(cè)器的襯衣。

此外，由于碳納米管具有表面缺陷增強(qiáng)的反應(yīng)活性，使得其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用也方興未艾。“比如用碳納米管作為催化劑電解水制氫，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇等有機(jī)物，都是目前研究的熱門。”沙軍威介紹。